在BMS應用中，設計師需要開(kāi)發(fā)一種解決方案，將來(lái)自各種集成電路的高速數字信號跨過(guò)隔離柵進(jìn)行傳輸。對于本設計示例，這種高速數字信號即是串行外設接口(SPI)連接，用于BMS控制器與電池監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(chē)電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓(最高達500 V)電池域為基準的電子元件的影響，同時(shí)還須具有卓越的耐受力，能承受車(chē)輛電力傳動(dòng)系統產(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(zhù)車(chē)輛的電子元件，同時(shí)還保護著(zhù)車(chē)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，設計師可以參閱各種行業(yè)標準，以確定印刷電路板設計的適用指南。對于數字隔離器件的選擇，設計師則會(huì )遇到諸多難題，必須考慮幾個(gè)關(guān)鍵性能參數，比如：器件功耗、PCB空間限制、數據速率/數據一致性(通道間匹配)、以及適當的隔離和工作電壓(在汽車(chē)整個(gè)生命周期)。本文將探討器件功耗和PCB板空間限制問(wèn)題。

 

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

 

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

 

然而，對于隔離器件所需工作電流，數字隔離器與光耦合器之間存在較大的差量。假設為電池監測應用使用一個(gè)1 MHz的SPI接口，則對于SPI通信總線(xiàn)所需要的四個(gè)數字隔離通道而言，像 ADI ADuM1401一樣的數字隔離器將消耗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(chē)5 V的工作電壓范圍以及汽車(chē)擴展−40°C至+125°C的工作溫度范圍。與之相當的基于光耦合器的解決方案，每個(gè)隔離通道至少需要4 mA的電流，而設計師還須考慮5 V電壓范圍和工作溫度的變化?？紤]這些變化會(huì )使每個(gè)隔離通道的吸電流提升至10 mA，結果使同一SPI通信總線(xiàn)的低壓域工作電流達到30 mA，高壓域工作電流則達10 mA。相對于傳統光耦合器解決方案，ADuM1401一類(lèi)的數字隔離器在工作功耗方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

 

圖1. 一種電池管理系統的典型配置

 

需要解決的第二個(gè)難題是BMS電子設計工程師面臨的機械設計限制。在BMS開(kāi)發(fā)中，PCB面積是一種珍貴的資產(chǎn)，設計師必須構建出能適用于超緊湊區域的解決方案。高壓至低壓接口的間距要求(一般稱(chēng)為爬電距離和間隙)由各種電氣標準定義，元件必須符合這些標準針對給定應用規定的最低要求。對數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板節省大量空間。

 

對于數字隔離解決方案，我們將考察ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝，其標準JEDEC封裝尺寸為10.3 mm x 10.3 mm，元件總面積為106 mm²。與之相當的光耦合器解決方案要求四個(gè)5引腳SOIC封裝器件，其標準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(gè)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，設計師必須留出134.5 mm²的空間。顯然，使用數字隔離器解決方案，設計師已經(jīng)可以節省大約28 mm²的面積。

 

在限定隔離器件面積之后，設計師接下來(lái)要考慮整個(gè)解決方案所需要的支持元件。數字隔離器(如ADuM1401)需要使用兩個(gè)外部旁路電容。假設采用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，設計師必須增加四個(gè)電阻(5.1 mm²)、四個(gè)電容(5.1 mm²)和四個(gè)前驅電路(33 mm²)，因為多數微控制器無(wú)法處理其GPIO引腳的10 mA功耗要求。至此，設計師可以看到，在需要考慮PCB板面積時(shí)，數字隔離器具有明顯優(yōu)勢。

 

與PCB空間相關(guān)的另一設計考慮是隔離器件的高壓端的驅動(dòng)問(wèn)題。對于BMS應用，需要在電池監測器件上實(shí)現功耗的均衡化，以防止電池組出現內在的不平衡。

 

對于光耦合器解決方案，需要一個(gè)單獨的DC-DC轉換器，用于提供隔離工作電壓以驅動(dòng)高壓端接口，結果將進(jìn)一步增加PCB板的面積要求。在數字隔離器件中，設計師可以選擇ADuM5401數字隔離器，其中含有四個(gè)SPI接口隔離通道，同時(shí)還集成了用于驅動(dòng)高壓端接口的DC-DC轉換器功能。其封裝尺寸與ADuM1401數字隔離器相同，因此，不會(huì )增加PCB板的面積要求。

 

與傳統的光耦合器模式相比，數字隔離器解決方案為設計師提供了一種節省空間的隔離器件實(shí)現方案，如圖2所示。

 

圖2. PCB板空間比較

 

總之，xEV電子元件設計工程師面對的數字隔離難題可以借助數種不同的隔離拓撲結構而予以解決。通過(guò)運用數字隔離器，設計師可以為其應用實(shí)現功耗和PCB板面積的雙節省。