數(shù)字隔離器：解決汽車xEV應(yīng)用中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在為汽車xEV應(yīng)用開發(fā)解決方案時，設(shè)計(jì)人員將遇到的挑戰(zhàn)之一是如何在高壓電池領(lǐng)域和低壓電池領(lǐng)域電子設(shè)備之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這一挑戰(zhàn)發(fā)生在電池單元電壓監(jiān)控、電池電流測量、高壓接觸器監(jiān)控或電機(jī)控制等應(yīng)用中。典型的電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)用如圖1所示，其中突出顯示了需要數(shù)字信號隔離的幾個領(lǐng)域。它將用于討論各種設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

圖1.電池管理系統(tǒng)的典型配置。

在BMS應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員面臨著開發(fā)一種解決方案，該解決方案允許跨越隔離柵傳輸來自各種集成電路的高速數(shù)字信號。對于設(shè)計(jì)示例，這些高速數(shù)字信號是串行外設(shè)接口（SPI）連接，用于BMS控制器和電池單元監(jiān)控電子設(shè)備之間的通信。隔離柵必須為在典型汽車12 V域內(nèi)運(yùn)行的BMS控制器電子器件提供保護(hù)，使其免受高壓（500 V以上）電池域的電子元件的影響。隔離柵還必須為車輛電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓電池瞬變提供魯棒性。隔離柵和隔離裝置非常重要，因?yàn)樗鼈儾粌H可以保護(hù)車輛電子設(shè)備，還可以保護(hù)車輛乘員免受高壓電池的電擊。

對于隔離柵要求，設(shè)計(jì)人員可以參考各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來確定印刷電路板設(shè)計(jì)的適當(dāng)準(zhǔn)則。對于數(shù)字隔離器件的選擇，設(shè)計(jì)人員將面臨各種挑戰(zhàn)，必須考慮幾個關(guān)鍵性能參數(shù)，例如器件電流消耗、PCB空間限制、數(shù)據(jù)速度/數(shù)據(jù)完整性（通道間匹配）以及適當(dāng)?shù)母綦x和工作電壓（在整個汽車使用壽命期間）。本文探討了器件電流消耗和PCB空間限制方面的挑戰(zhàn)。

通過概述這兩個挑戰(zhàn)，可以探索確定適當(dāng)組件解決方案的過程。為了執(zhí)行數(shù)字隔離，目前市場上有各種技術(shù)，其中考慮選擇的兩種是基于光耦合器的隔離和基于數(shù)字的隔離。光耦合器通過LED產(chǎn)生光來工作，LED通過清晰的隔離柵到達(dá)光電探測器，而數(shù)字隔離器則采用高速CMOS工藝和嵌入式空芯微變壓器設(shè)計(jì)。

考慮的第一個設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是器件電流消耗，這給設(shè)計(jì)人員帶來了兩個挑戰(zhàn)。靜態(tài)電流消耗是xEV電子設(shè)計(jì)的主要焦點(diǎn)，因?yàn)檐囕v關(guān)閉狀態(tài)下的電流消耗會導(dǎo)致高壓電池組最后已知充電狀態(tài)的偏差。此外，當(dāng)電動汽車支持的所有電子模塊相加時，電子電路的工作電流消耗是一個痛點(diǎn)。在這兩種情況下，愿望都是使每個盡可能小。為了解決靜態(tài)電流消耗問題，可以設(shè)計(jì)BMS來禁用非必要電路的源電壓供應(yīng)，從而消除了設(shè)計(jì)人員的這種擔(dān)憂。但是，對于隔離器件上所需的工作電流，數(shù)字隔離器和光耦合器之間存在較大的增量。假設(shè)電池單元監(jiān)控應(yīng)用采用1 MHz SPI接口，ADI公司ADuM1401等數(shù)字隔離器將為SPI通信總線所需的四個數(shù)字隔離通道消耗2.4 mA低壓域工作電流和1.4 mA高壓域工作電流。該值適用于典型汽車5 V電源范圍和?40°C至+125°C擴(kuò)展工作溫度范圍的工作條件?；诠怦詈掀鞯钠ヅ浣鉀Q方案每個隔離通道至少需要4 mA電流，但是，設(shè)計(jì)人員必須考慮5 V電源電壓和工作溫度的變化。考慮到這些變化，每個隔離通道的電流消耗增加到10 mA，導(dǎo)致同一SPI通信總線在低壓域的工作電流為30 mA，在高壓域中的工作電流為10 mA。與傳統(tǒng)光耦合器解決方案相比，ADuM1401等數(shù)字隔離器在工作電流消耗方面具有明顯的優(yōu)勢。

下一個需要解決的挑戰(zhàn)是BMS電子設(shè)計(jì)工程師面臨的機(jī)械設(shè)計(jì)約束。PCB區(qū)域是BMS開發(fā)中的寶貴商品，設(shè)計(jì)人員面臨著創(chuàng)建必須適合非常緊湊區(qū)域的解決方案。高壓到低壓接口間距要求（通常稱為爬電距離和電氣間隙）由各種電氣標(biāo)準(zhǔn)定義，組件必須滿足這些標(biāo)準(zhǔn)為給定開發(fā)確定的最低要求。本文比較了數(shù)字和光耦合器隔離解決方案，以確定哪種方案可以節(jié)省PCB上的大量面積。

對于數(shù)字隔離器解決方案，下面將檢查ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝，標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為10.3 mm×10.3 mm，總元件面積為106 mm2.類似的光耦合器解決方案需要四個5引腳SOIC封裝器件，其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為7.0 mm×3.6 mm，單個元件面積為25.2 mm。PCB上需要放置四個元件，器件之間需要典型的1.2 mm元件放置。將光耦合器解決方案的總PCB面積相加，設(shè)計(jì)人員必須允許134.5 mm2.設(shè)計(jì)師已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大約 28 毫米2數(shù)字隔離器解決方案的節(jié)省區(qū)域。

定義隔離器件區(qū)域后，設(shè)計(jì)人員接下來轉(zhuǎn)向完整解決方案所需的支持組件。ADuM1401等數(shù)字隔離器需要使用兩個外部旁路電容。假設(shè)采用0603封裝電容器，則消耗的面積為2.5 mm2.對于典型的光耦合器實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)人員必須添加四個電阻（5.1 mm2）、四個電容器 （5.1 mm2）和四個預(yù)驅(qū)動電路（33 mm2因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器無法處理其GPIO引腳上的10 mA電流要求。在這一點(diǎn)上，設(shè)計(jì)人員可以看到，當(dāng)PCB面積是設(shè)計(jì)問題時，數(shù)字隔離器解決方案具有明顯的優(yōu)勢。

與PCB空間相關(guān)的另一個設(shè)計(jì)考慮因素涉及為隔離器件的高壓側(cè)供電。對于BMS應(yīng)用，需要平衡電池監(jiān)控器件的電流消耗，以防止電池組中固有的不平衡。

對于光耦合器解決方案，需要一個單獨(dú)的DC-DC轉(zhuǎn)換器來提供隔離電源電壓，為高壓側(cè)接口供電，這增加了已經(jīng)更大的PCB面積。在數(shù)字隔離器系列器件中，設(shè)計(jì)人員可以選擇ADuM5401數(shù)字隔離器，該數(shù)字隔離器包含用于SPI接口的四個隔離通道，并集成DC-DC轉(zhuǎn)換器功能，為高壓側(cè)接口供電。這是在與ADuM1401數(shù)字隔離器相同的封裝尺寸下實(shí)現(xiàn)的，因此不會造成額外的PCB面積損失。

與傳統(tǒng)的光耦合器方法相比，數(shù)字隔離器解決方案為設(shè)計(jì)人員提供了一種節(jié)省空間的隔離器件，如圖2所示。

圖2.PCB空間比較。

總之，xEV電子設(shè)計(jì)工程師面臨的數(shù)字隔離挑戰(zhàn)可以使用幾種不同的隔離拓?fù)鋪斫鉀Q。通過使用數(shù)字隔離器，設(shè)計(jì)人員可以在其應(yīng)用中顯著節(jié)省電流消耗和PCB面積。

審核編輯：郭婷