在BMS應(yīng)用中，設(shè)計師需要開發(fā)一種解決方案，將來自各種集成電路的高速數(shù)字信號跨過隔離柵進(jìn)行傳輸。對于本設(shè)計示例，這種高速數(shù)字信號即是串行外設(shè)接口(SPI)連接，用于BMS控制器與電池監(jiān)測電子元件之間的通信。隔離柵必須保護工作于典型的12 V汽車電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓(最高達(dá)500 V)電池域為基準(zhǔn)的電子元件的影響，同時還須具有卓越的耐受力，能承受車輛電力傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓電池瞬變。隔離柵和隔離器件非常重要，因為它們不但保護著車輛的電子元件，同時還保護著車輛乘客，使其免受高壓電池產(chǎn)生的電擊風(fēng)險的影響。

 

對于隔離柵要求，設(shè)計師可以參閱各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確定印刷電路板設(shè)計的適用指南。對于數(shù)字隔離器件的選擇，設(shè)計師則會遇到諸多難題，必須考慮幾個關(guān)鍵性能參數(shù)，比如：器件功耗、PCB空間限制、數(shù)據(jù)速率/數(shù)據(jù)一致性(通道間匹配)、以及適當(dāng)?shù)母綦x和工作電壓(在汽車整個生命周期)。本文將探討器件功耗和PCB板空間限制問題。

 

在上述兩個難題的基礎(chǔ)上，可以探討如何確定正確的元件解決方案。對于數(shù)字隔離，目前市場上有多種技術(shù)可用，而在選擇元件時可以考慮兩種技術(shù)：基于光耦合器的隔離和基于數(shù)字技術(shù)的隔離。光耦合器通過LED產(chǎn)生光的方式進(jìn)行工作，光通過一個透明隔離柵傳導(dǎo)至一個光檢測器，而數(shù)字隔離器則是采用高速CMOS工藝設(shè)計，集成空芯微變壓器。

 

需要考慮的第一個設(shè)計難題是器件的功耗，結(jié)果將為設(shè)計師帶來兩個挑戰(zhàn)。靜態(tài)吸電流是xEV電子設(shè)計關(guān)注的重點之一，因為車輛在關(guān)斷狀態(tài)下的功耗會導(dǎo)致高壓電池組最后一次已知充電狀態(tài)出現(xiàn)偏差。另外，將電動汽車中全部電子模塊的功耗相加時，電子電路的工作功耗也是一個令人頭疼的問題。兩種情況下，目標(biāo)是將功耗降至最低。為了解決靜態(tài)功耗問題，我們可以設(shè)計BMS，禁用非必要電路的源電壓供應(yīng)，結(jié)果可以消除設(shè)計師的這一顧慮。

 

然而，對于隔離器件所需工作電流，數(shù)字隔離器與光耦合器之間存在較大的差量。假設(shè)為電池監(jiān)測應(yīng)用使用一個1 MHz的SPI接口，則對于SPI通信總線所需要的四個數(shù)字隔離通道而言，像 ADI ADuM1401一樣的數(shù)字隔離器將消耗2.4 mA的低壓域工作電流和1.4 mA的高壓域工作電流。該值適用于以下工作條件：典型汽車5 V的工作電壓范圍以及汽車擴展−40°C至+125°C的工作溫度范圍。與之相當(dāng)?shù)幕诠怦詈掀鞯慕鉀Q方案，每個隔離通道至少需要4 mA的電流，而設(shè)計師還須考慮5 V電壓范圍和工作溫度的變化?？紤]這些變化會使每個隔離通道的吸電流提升至10 mA，結(jié)果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達(dá)到30 mA，高壓域工作電流則達(dá)10 mA。相對于傳統(tǒng)光耦合器解決方案，ADuM1401一類的數(shù)字隔離器在工作功耗方面具有顯著優(yōu)勢。

 

圖1. 一種電池管理系統(tǒng)的典型配置

 

需要解決的第二個難題是BMS電子設(shè)計工程師面臨的機械設(shè)計限制。在BMS開發(fā)中，PCB面積是一種珍貴的資產(chǎn)，設(shè)計師必須構(gòu)建出能適用于超緊湊區(qū)域的解決方案。高壓至低壓接口的間距要求(一般稱為爬電距離和間隙)由各種電氣標(biāo)準(zhǔn)定義，元件必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)針對給定應(yīng)用規(guī)定的最低要求。對數(shù)字和光耦合器兩種隔離解決方案進(jìn)行了比較，以確定哪種方案可以為PCB板節(jié)省大量空間。

 

對于數(shù)字隔離解決方案，我們將考察ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝，其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為10.3 mm x 10.3 mm，元件總面積為106 mm²。與之相當(dāng)?shù)墓怦詈掀鹘鉀Q方案要求四個5引腳SOIC封裝器件，其標(biāo)準(zhǔn)JEDEC封裝尺寸為7.0 mm x 3.6 mm，單元件面積為25.2 mm²。需要在PCB板上放置四個元件，而器件之間一般需要1.2 mm的間距。將光耦合器解決方案所需PCB板總面積相加，設(shè)計師必須留出134.5 mm²的空間。顯然，使用數(shù)字隔離器解決方案，設(shè)計師已經(jīng)可以節(jié)省大約28 mm²的面積。

 

在限定隔離器件面積之后，設(shè)計師接下來要考慮整個解決方案所需要的支持元件。數(shù)字隔離器(如ADuM1401)需要使用兩個外部旁路電容。假設(shè)采用0603封裝電容，則占用面積為2.5 mm²。對于典型的光耦合器解決方案，設(shè)計師必須增加四個電阻(5.1 mm²)、四個電容(5.1 mm²)和四個前驅(qū)電路(33 mm²)，因為多數(shù)微控制器無法處理其GPIO引腳的10 mA功耗要求。至此，設(shè)計師可以看到，在需要考慮PCB板面積時，數(shù)字隔離器具有明顯優(yōu)勢。

 

與PCB空間相關(guān)的另一設(shè)計考慮是隔離器件的高壓端的驅(qū)動問題。對于BMS應(yīng)用，需要在電池監(jiān)測器件上實現(xiàn)功耗的均衡化，以防止電池組出現(xiàn)內(nèi)在的不平衡。

 

對于光耦合器解決方案，需要一個單獨的DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于提供隔離工作電壓以驅(qū)動高壓端接口，結(jié)果將進(jìn)一步增加PCB板的面積要求。在數(shù)字隔離器件中，設(shè)計師可以選擇ADuM5401數(shù)字隔離器，其中含有四個SPI接口隔離通道，同時還集成了用于驅(qū)動高壓端接口的DC-DC轉(zhuǎn)換器功能。其封裝尺寸與ADuM1401數(shù)字隔離器相同，因此，不會增加PCB板的面積要求。

 

與傳統(tǒng)的光耦合器模式相比，數(shù)字隔離器解決方案為設(shè)計師提供了一種節(jié)省空間的隔離器件實現(xiàn)方案，如圖2所示。

 

圖2. PCB板空間比較

 

總之，xEV電子元件設(shè)計工程師面對的數(shù)字隔離難題可以借助數(shù)種不同的隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而予以解決。通過運用數(shù)字隔離器，設(shè)計師可以為其應(yīng)用實現(xiàn)功耗和PCB板面積的雙節(jié)省。