数字隔离器解决汽车XEV应用中设计难题.doc

1、数 字 隔 离 器 :解 决 汽 车 xEV 应 用 中 的 设 计 难 题摘 要 ： 在 为 汽 车 xEV 应 用 开 发 解 决 方 案 时 ， 设 计 师 会 遇 到 的 一 个 难 题是 如 何 在 高 压 电 池 域 与 低 压 电 池 域 电 子 元 件 之 间 传 递 数 字 数 据 。关 键 字 ： 解 决 方 案 , 集 成 电 路 , 电 子 元 件 , 印 刷 电 路 板 设 计 , 数 字 隔 离 器在 为 汽 车 xEV 应 用 开 发 解 决 方 案 时 ， 设 计 师 会 遇 到 的 一 个 难 题 是 如 何 在 高压 电 池 域 与 低 压 电 池 域 电

2、子 元 件 之 间 传 递 数 字 数 据 。 这 一 难 题 出 现 在 多 种 应 用 之中 ， 比 如 电 池 电 压 监 测 、 电 池 电 流 测 量 、 高 压 接 触 器 监 测 、 电 机 控 制 等 。 一 种 典型 的 电 池 管 理 系 统 (BMS)应 用 如 图 1 所 示 ， 其 中 高 亮 显 示 的 几 个 区 域 需 要 数 字信 号 隔 离 ， 接 下 来 我 们 将 以 其 为 基 础 ， 探 讨 各 种 设 计 考 虑 因 素 。在 BMS 应 用 中 ， 设 计 师 需 要 开 发 一 种 解 决 方 案 ， 以 将 来 自 各 种 集 成 电 路的

3、高 速 数 字 信 号 跨 过 隔 离 栅 进 行 传 输 。 对 于 本 设 计 示 例 ， 这 种 高 速 数 字 信 号 即 是串 行 外 设 接 口 (SPI)连 接 ， 用 于 BMS 控 制 器 与 电 池 监 测 电 子 元 件 之 间 的 通 信 。隔 离 栅 必 须 保 护 工 作 在 典 型 的 12V 汽 车 电 压 域 的 BMS 控 制 器 电 子 元 件 ， 使其 免 受 以 高 压 (最 高 可 达 500V)电 池 域 为 基 准 的 电 子 元 件 的 影 响 ， 同 时 还 须 具有 卓 越 的 耐 受 力 ， 能 承 受 车 辆 电 力 传 动 系 统 产

4、 生 的 高 压 电 池 瞬 变 。 隔 离 栅 和 隔 离器 件 非 常 重 要 ， 因 为 它 们 不 但 保 护 着 车 辆 的 电 子 元 件 ， 同 时 还 保 护 着 车 辆 乘客 ， 使 其 免 受 高 压 电 池 产 生 的 电 击 风 险 的 影 响 。图 1 一 种 电 池 管 理 系 统 的 典 型 配 置对 于 隔 离 栅 要 求 ， 设 计 师 可 以 参 阅 各 种 行 业 标 准 ， 以 确 定 印 刷 电 路 板 设计 的 适 用 指 南 。 对 于 数 字 隔 离 器 件 的 选 择 ， 设 计 师 则 会 遇 到 诸 多 难 题 ， 必 须 考虑 几 个 关

5、 键 性 能 参 数 ， 比 如 ： 器 件 功 耗 、 PCB 空 间 限 制 、 数 据 速 率 /数 据 一致 性 (通 道 间 匹 配 )， 以 及 适 当 的 隔 离 和 工 作 电 压 (在 汽 车 整 个 生 命 周 期 )。本 文 将 重 点 探 讨 器 件 功 耗 和 PCB 板 空 间 限 制 问 题 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件网在 上 述 两 个 难 题 的 基 础 上 ， 可 以 探 讨 如 何 确 定 正 确 的 元 件 解 决 方 案 。 对 于 数字 隔 离 ， 目 前 市 场 上 有 多 种 技 术 可 用 ， 而 在 选 择 元 件 时 可

6、以 考 虑 两 种 技 术 ： 基 于光 耦 合 器 的 隔 离 和 基 于 数 字 技 术 的 隔 离 。 光 耦 合 器 通 过 LED 产 生 光 的 方 式进 行 工 作 ， 光 通 过 一 个 透 明 隔 离 栅 传 导 至 一 个 光 检 测 器 ， 而 数 字 隔 离 器 则 是 采 用高 速 CMOS 工 艺 设 计 ， 集 成 空 芯 微 变 压 器 。需 要 考 虑 的 第 一 个 设 计 难 题 是 器 件 的 功 耗 ， 结 果 将 为 设 计 师 带 来 两 个 挑 战 。静 态 吸 电 流 是 xEV 电 子 设 计 关 注 的 重 点 之 一 ， 因 为 车 辆

7、在 关 断 状 态 下 的 功 耗 会导 致 高 压 电 池 组 最 后 一 次 已 知 充 电 状 态 出 现 偏 差 。 另 外 ， 当 将 电 动 汽 车 中 全 部 电子 模 块 的 功 耗 相 加 时 ， 电 子 电 路 的 工 作 功 耗 也 是 一 个 令 人 头 疼 的 问 题 。 两 种 情 况下 ， 目 标 是 将 功 耗 降 至 最 低 。 为 了 解 决 静 态 功 耗 问 题 ， 我 们 可 以 设 计BMS， 禁 用 非 必 要 电 路 的 源 电 压 供 应 ， 结 果 可 以 消 除 设 计 师 的 这 一 顾 虑 。 然 而 ，对 于 隔 离 器 件 所 需

8、工 作 电 流 ， 数 字 隔 离 器 与 光 耦 合 器 之 间 存 在 较 大 的 差 量 。 假 设为 电 池 监 测 应 用 使 用 一 个 1MHz 的 SPI 接 口 ， 则 对 于 SPI 通 信 总 线 所 需 要 的四 个 数 字 隔 离 通 道 而 言 ， 像 ADI ADuM1401 一 样 的 数 字 隔 离 器 将 消 耗2.4mA 的 低 压 域 工 作 电 流 和 1.4mA 的 高 压 域 工 作 电 流 。 该 值 适 用 于 以 下 工 作条 件 ： 典 型 汽 车 5V 的 工 作 电 压 范 围 以 及 汽 车 扩 展 -40 125 的 工 作 温 度

9、范 围 。 与 之 相 当 的 基 于 光 耦 合 器 的 解 决 方 案 ， 每 个 隔 离 通 道 至 少 需 要 4mA的 电 流 ， 而 设 计 师 还 须 考 虑 5V 电 压 范 围 和 工 作 温 度 的 变 化 。 考 虑 这 些 变 化 会使 每 个 隔 离 通 道 的 吸 电 流 提 升 至 10mA， 结 果 使 同 一 SPI 通 信 总 线 的 低 压 域工 作 电 流 达 到 30mA， 高 压 域 工 作 电 流 则 达 10mA。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件网相 对 于 传 统 光 耦 合 器 解 决 方 案 ， ADuM1401 一 类 的 数

10、字 隔 离 器 在 工 作 功耗 方 面 具 有 显 著 优 势 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网需 要 解 决 的 第 二 个 难 题 是 BMS 电 子 设 计 工 程 师 面 临 的 机 械 设 计 限 制 。 在BMS 开 发 中 ， PCB 面 积 是 一 种 珍 贵 的 资 产 ， 设 计 师 必 须 构 建 出 能 适 用 于 超 紧 凑区 域 的 解 决 方 案 。 高 压 至 低 压 接 口 的 间 距 要 求 (一 般 称 为 爬 电 距 离 和 间 隙 )由 各 种 电 气 标 准 定 义 ， 元 件 必 须 符 合 这 些 标 准 针 对 给 定 应 用

11、 规 定 的 最 低 要 求 。 对数 字 和 光 耦 合 器 两 种 隔 离 解 决 方 案 进 行 了 比 较 ， 以 确 定 哪 种 方 案 可 以 为PCB 板 节 省 大 量 空 间 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网对 于 数 字 隔 离 解 决 方 案 ， 我 们 将 考 察 ADuM1401W。 ADuM1401W 采用 16 引 脚 SOIC_W 封 装 ， 其 标 准 JEDEC 封 装 尺 寸 为 10.3mm10.3mm， 元件 总 面 积 为 106mm2。 与 之 相 当 的 光 耦 合 器 解 决 方 案 要 求 四 个 5 引 脚 SOIC封 装

12、器 件 ， 其 标 准 JEDEC 封 装 尺 寸 为 7mm3.6mm， 单 元 件 面 积 为25.2mm2。 需 要 在 PCB 板 上 放 置 四 个 元 件 ， 而 器 件 之 间 一 般 需 要 1.2mm的 间 距 。 将 光 耦 合 器 解 决 方 案 所 需 PCB 板 总 面 积 相 加 ， 设 计 师 必 须 留 出134.5mm2 的 空 间 。 显 然 ， 使 用 数 字 隔 离 器 解 决 方 案 ， 设 计 师 已 经 可 以 节 省 大 约28mm2 的 面 积 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网在 限 定 隔 离 器 件 面 积 之 后 ， 设

13、计 师 接 下 来 要 考 虑 整 个 解 决 方 案 所 需 要 的 支 持元 件 。 数 字 隔 离 器 (如 ADuM1401W)需 要 使 用 两 个 外 部 旁 路 电 容 。 假 设 采 用0603 封 装 电 容 ， 则 占 用 面 积 为 2.5mm2。 对 于 典 型 的 光 耦 合 器 解 决 方 案 ， 设 计师 必 须 增 加 四 个 电 阻 (5.1mm2)、 四 个 电 容 (5.1mm2)和 4 个 前 驱 电 路(33mm2)， 因 为 多 数 微 控 制 器 无 法 处 理 其 GPIO 引 脚 的 10mA 功 耗 要 求 。 至此 ， 设 计 师 可 以

14、看 到 ， 在 需 要 考 虑 PCB 板 面 积 时 ， 数 字 隔 离 器 具 有 明 显 优 势 。来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网与 PCB 空 间 相 关 的 另 一 设 计 考 虑 是 隔 离 器 件 的 高 压 端 的 驱 动 问 题 。 对 于BMS 应 用 ， 需 要 在 电 池 监 测 器 件 上 实 现 功 耗 的 均 衡 化 ， 以 防 止 电 池 组 出 现 内 在 的不 平 衡 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网对 于 光 耦 合 器 解 决 方 案 ， 需 要 一 个 单 独 的 DC-DC 转 换 器 ， 用 于 提 供 隔离 工 作

15、电 压 以 驱 动 高 压 端 接 口 ， 结 果 将 进 一 步 增 加 PCB 板 的 面 积 要 求 。 在数 字 隔 离 器 件 中 ， 设 计 师 可 以 选 择 ADuM5401 数 字 隔 离 器 ， 其 中 含 有 四 个SPI 接 口 隔 离 通 道 ， 同 时 还 集 成 了 用 于 驱 动 高 压 端 接 口 的 DC-DC 转 换 器 功能 。 其 封 装 尺 寸 与 ADuM1401 数 字 隔 离 器 相 同 ， 因 此 ， 不 会 增 加 PCB 板的 面 积 要 求 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网与 传 统 的 光 耦 合 器 模 式 相 比 ， 数 字 隔 离 器 解 决 方 案 为 设 计 师 提 供 了 一 种 节 省空 间 的 隔 离 器 件 实 现 方 案 ， 如 图 2 所 示 。图 2 PCB 板 空 间 比 较总 结总 之 ， xEV 电 子 元 件 设 计 工 程 师 面 对 的 数 字 隔 离 难 题 可 以 借 助 数 种 不 同 的隔 离 拓 扑 结 构 而 予 以 解 决 。 通 过 运 用 数 字 隔 离 器 ， 设 计 师 可 以 为 其 应 用 实 现 功 耗和 PCB 板 面 积 的 双 节 省 。