用于高壓、高容量電池系統(tǒng)的低成本 isoSPI 耦合電路

　　摘要：本文介紹了一種采用 AC 耦合方法可以減輕高壓 isoSPI 系統(tǒng)的成本問題，無需要求磁性元件提供雙重絕緣。用價(jià)格不貴、纏繞在繞線管上的共模扼流圈 (CMC) 組件取代專門的螺旋管型變壓器磁性元件，進(jìn)一步降低成本。電容器和 CMC 都是相對(duì)扁平的表面貼裝芯片組件，價(jià)格富有競(jìng)爭(zhēng)力，而且其高可靠性經(jīng)過審查，可用于汽車系統(tǒng)。用于 AC 耦合的偏置電阻器為監(jiān)視系統(tǒng)的電介質(zhì)完整性提供了一種非常有用的途徑。

　　內(nèi)置到 LTC6804 電池組監(jiān)視器中的 isoSPI功能與 LTC6820 isoSPI 通信接口相結(jié)合，可以跨高壓勢(shì)壘提供安全可靠的信息傳輸。在通過存儲(chǔ)單元串聯(lián)連接產(chǎn)生數(shù)百伏電壓的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，isoSPI 尤其有用，這類系統(tǒng)需要徹底的電介質(zhì)隔離，以最大限度地減少對(duì)人員的危害。

　　在典型 isoSPI 應(yīng)用 (圖 1) 中，脈沖變壓器提供電介質(zhì)隔離，抑制可能對(duì)配線系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的共模干擾。用很容易買到、價(jià)格不貴的以太網(wǎng) LAN 磁性元件就可以實(shí)現(xiàn) iso SPI 功能，實(shí)現(xiàn)該功能的電路一般包括一個(gè)改善共模線路噪聲性能的共模扼流圈部分 (如圖 1 所示) 以及很有用的 100Ω 線路終端電阻器和共模去耦電容器。

　　普通信號(hào)變壓器 (包括以太網(wǎng)和柵極驅(qū)動(dòng)器型) 是用漆包絕緣線纏繞的，這可能有針孔大小的絕緣缺陷，使銅線暴露于空氣之中，這固有地限制了繞組之間的偏置，而繞組間偏置正是對(duì)此類變壓器進(jìn)行認(rèn)證的依據(jù)。在生產(chǎn)中，用高壓 (稱為 hi-pot 篩選) 測(cè)試這類變壓器，以確定總的絕緣問題，一般為 1.5kV。這一絕緣電壓是針對(duì) 60V 長(zhǎng)期偏置設(shè)定的安全設(shè)計(jì)裕度，因?yàn)樵谖⑿「g的環(huán)境中，往往需要超過 60V 的電壓才能在繞組之間構(gòu)成傳導(dǎo)通路。

　　問題：高壓=高成本

　　就 400V 范圍的電池組電壓而言，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是，采用加強(qiáng) (雙重) 絕緣，用高達(dá) 3750V 或更高的電壓進(jìn)行 hi-pot 測(cè)試，以此確定變壓器的性能規(guī)格。由于所需爬電距離 (表面距離) 和空隙 (空氣間隔) 尺寸較大，所以這類變壓器很難找到小型產(chǎn)品，而且相對(duì)比較昂貴。isoSPI 用于高達(dá) 1kV 的電池系統(tǒng)，這就要求變壓器經(jīng)過 5kV 的 hi-pot 測(cè)試，以留出保守的設(shè)計(jì)裕度。在這種情況下，隔離組件可能很大、很昂貴，而且有損于脈沖保真度。

　　解決方案：分而治之

　　一種不采用加強(qiáng)絕緣變壓器的解決方案是，通過將額外的絕緣要求轉(zhuǎn)移到耦合電容器上，將偏置要求從磁性元件上剝離出來。僅靠電容器就能提供看似完整的隔離選擇，電容器既不提供共模抑制，也不提供變壓器所具備的抗沖擊隔離特性，因此 L-C 方法實(shí)際上是最佳的。采用這種方法時(shí)，電容器充電至標(biāo)稱 DC 偏置值，讓變壓器處理瞬態(tài)問題，而對(duì)于瞬態(tài)問題的處理，即使普通變壓器也很適合。

　　耦合電容器用電阻值很大的電阻器偏置，一般連接到變壓器的中央抽頭連接點(diǎn)，如圖 2 所示。這樣做還有一個(gè)好處，如果偏置電阻器的 DC 電流受到監(jiān)視，那么任何電介質(zhì)擊穿都成了可檢測(cè)故障。所選擇的電阻值很大，例如 10MΩ，以使故障電流低于變壓器細(xì)線額定值，同時(shí)對(duì)人員的沖擊損害最小。

　　將高壓要求從變壓器磁性元件設(shè)計(jì)中剝離出來以后，就出現(xiàn)了幾種成本相對(duì)較低的選擇。一種是僅使用得到批準(zhǔn)的以太網(wǎng)變壓器。另一種是使用現(xiàn)成有售的扁平磁性元件，以降低組件高度和組件重量 (減輕焊料疲勞問題)。這類變壓器像其他任何組件一樣，可以采用自動(dòng)化表面貼裝組裝方法安裝，從而降低了生產(chǎn)成本。具備上述特點(diǎn)的一個(gè)很好的組件選擇是分立式共模扼流圈 (CMC)，CMC 具備變壓器結(jié)構(gòu)，通常用作濾波組件。這類組件的電感可高達(dá) 100µH，已得到批準(zhǔn)以用于汽車系統(tǒng)，因此也成為 isoSPI 配置希望使用的組件。

　　適用的 CMC 價(jià)格不貴。CMC 是用機(jī)器在芯片大小的鐵氧體上纏繞線對(duì)而成，可簡(jiǎn)便快速地生產(chǎn)。盡管為了使持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的脈沖波形有效通過，isoSPI 設(shè)計(jì)需要略高一點(diǎn)的電感，但是可以通過使用兩個(gè)扼流圈來得到充足的電感，讓兩個(gè)扼流圈的繞組串聯(lián)，就可產(chǎn)生 200µH 電感。這還帶來了一個(gè)額外的好處，即基本上構(gòu)成了中央抽頭連接，這對(duì)共模偏置和去耦功能很有用。

　　圖3顯示了用兩個(gè) CMC 實(shí)現(xiàn)的等效變壓器模型。圖中所示扼流圈的占板面積為 1812 SMT，采用雙線繞組 (纏繞時(shí)使用成對(duì)導(dǎo)線)，因此主邊和副邊是嚴(yán)密匹配的，從而最大限度地減小了漏電感，因此保持了良好的高頻性能。變壓器如果采用物理上分開的繞組，脈沖保真度較差，因?yàn)槁╇姼刑?。圖中所示變壓器具備 50V DC 額定值。