交通運輸應用中高壓電池監控的隔離
這種方法會使用更多的數字隔離器,因此成本比圖1所示系統更高,但它可以同時要求所有電池群組報告電池組內電池監控器所監測到的信息,從而能在更短的時間內回讀所有電池數據。另一個好處是,當菊花鏈發生問題時,如斷線或連接器接觸不良等,備用監控器可以繼續監控。將剩余電池包電壓與總電池組電壓進行相關分析,仍然可以確定停止工作電池包的數據。
這種方法的確需要更多電纜,由于高達75%的電磁兼容性(EMC)問題與輸入/輸出(I/O)端口有關,因此這可能會引發問題。I/O端口是一種開放式通路,供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進入一臺設備,以及供干擾信號逃逸——通過傳導I/O線路上的雜散信號,或者通過I/O電纜的輻射。電池組電纜較多的話,若不特別注意信號的穩定性以及所選的通信協議,其EMC性能會大幅下降。因此,與端口相連的I/O設備的EMC性能對于整臺設備的EMC性能至關重要。
頗受歡迎的SPI通信協議適合同一印刷電路板(PCB)上的器件之間通信,但單端信號可能難以經由24至36英寸電線實現可靠傳輸,尤其在高噪聲環境中。如果數字信號要在板外傳輸,則謹慎起見,系統設計中可能需使用差分收發器,例如ADM485。這些收發器可以采用低端電源供電,無需直接耗用電池組中的電池電源。
隔離技術是電池組通信的關鍵
為了提高電池組電壓,以便滿足重型私家車以及輕型卡車、貨車的更高功率電機需求,必須增加電池組中的電池數量。除了增加串聯電池數量之外,現在的許多電池包還含有并聯電池串,目的是提高整個電池包的安培小時(AH)容量。必須監控各并聯電池串,因而需要收集大量數據。與所有這些電池相關的電池監控器數據,必須在系統集成商設定的系統環路時間要求范圍內,可靠地回傳給電池測量系統(BMS)微控制器。
因此,跨越系統間邊界提供可靠數據通信的難度也隨之增加。獲得汽車應用認證的隔離技術,正是跨越典型電池組內如此眾多的隔離邊界實現可靠通信的關鍵因素,ADI公司就能夠提供這種技術。該技術的基礎是“磁隔離”,變壓器則采用高性價比標準CMOS工藝以平面方式制造(參見圖3)。這有利于將多個隔離通道集成到單個器件中,或者將隔離通道與其它半導體功能,如線路驅動器和模數轉換器等(例如隔離Σ-Δ調制器AD7400)集成于一體。

圖3. 四通道隔離器ADuM1402功能框圖
不像光耦合器,這些iCoupler®數字隔離器的性能在汽車整個使用期限內都不會下降,可以適應因季節變化經常會遇到的惡劣工作條件。表1所列為最近發布的系列器件,這些器件已通過AEC-Q100認證,工作溫度最高可達125°C,所用材料與ADI公司iCoupler系列產品中廣泛認可的對應器件相同,至今該系列出貨量已超過3億片。表中雙通道、3通道和4通道數字隔離器系列的數據速率最高可達25 Mbps,傳播延遲低至32 ns。
平面變壓器本身是雙向的,因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數范圍內,驅動通道和接收通道可以任意組合使用。例如,雙通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或一起可提供7種不同的通道配置(4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1),確保所有情形下都能采用最佳解決方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。

圖4. ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置
iCoupler技術有兩個突出特點:支持高數據速率,以及可以采用低電源電流工作。iCoupler通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數據速率。采用3V電源工作、數據速率最高為2 Mbps時,ADuM140xWS兩端及所有四個通道的總電源電流典型值為1.6 mA(最大值4 mA)。因為在ADuM140xWS的隔離端或“熱”端,電源來自電池本身(通過一個穩壓器),所以低功耗十分重要。監控器也采用同一電壓源供電,因此,監控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產品均提供小尺寸、薄型、表貼8引腳SOIC_W或16引腳SOIC_W封裝,并且已通過UL、CSA和VDE安全認證。隔離額定值最高可達2.5 kV(有效值),工作電壓最高可達400 V(有效值)。
iCoupler技術孕育出isoPower集成式隔離電源
iCoupler技術最激動人心的一項成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中。現在,利用與信號隔離所用的微變壓器相似的技術,可以跨越隔離柵輸送電源,從而為電池組中的數據隔離器提供完全集成的遠程供電解決方案。本地電源供給振蕩電路,它通過一個芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經過整流和調節,穩定在3.3 V或5 V。隔離端控制器通過產生一個PWM控制信號,對輸出進行反饋調節,該控制信號經由一個專用iCoupler數據通道送回本地端。PWM控制信號調制振蕩器電路,以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以明顯提高功率和功效比。
ADuM540xW 是4通道數字隔離器,內置isoPower®集成式隔離DC-DC轉換器;輸入電源為5.0 V或3.3 V時,可提供最高500 mW的穩壓隔離功率。與標準iCoupler器件一樣,它可提供多種不同的通道配置和數據速率。由于isoPower器件利用高頻開關元件通過其變壓器輸電,因此進行PCB布局時必須特別小心,確保符合電磁輻射標準。有關電路板布局考量因素的詳細信息,請參考應用筆記AN-0971 :“isoPower器件的輻射控制建議”。ADuM540x系列目前正在進行AEC-Q100認證。
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