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信號在48V輕度混合系統(tǒng)中是否需要隔離?

德州儀器 ? 來源:德州儀器 ? 2020-05-29 16:50 ? 次閱讀

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛與混合電動車輛(HEV)或電動車輛(EV)之間的一個主要區(qū)別之一是存在多節(jié)電池和電壓等級。內(nèi)燃機(jī)由單個12V或24V電池(通常是鉛酸電池)運(yùn)行。但是,HEV和EV使用的二次高壓電池的范圍從48V(HEV)到更高的電壓400V至800V(EV)。

多電壓電平的存在需要隔離來保護(hù)低壓電路免受高壓影響。顯然,對于400V及以上的電池,您需要隔離,但在48V輕度混合系統(tǒng)中是否需要隔離?讓我們來分析一下。

48V HEV中的隔離

即使電壓不高達(dá)400V或800V,隔離對于48V混合動力汽車來說也很重要,究其原因有很多種,其中包括增強(qiáng)的抗抗噪性能和故障保護(hù)。

圖1所示為一個起動發(fā)電機(jī)系統(tǒng),其中包括H橋和場效應(yīng)晶體管(FET)的功率級處在48V側(cè)。這些FET的開關(guān)會引起電壓瞬變(dv/dt),這可能會在48V接地端產(chǎn)生一些共模噪聲。沒有任何隔離的情況下,該噪聲將與12V端側(cè)耦合,并影響低壓側(cè)電路的信號完整性。通過在兩側(cè)之間增加隔離,如圖1所示,您可提高共模瞬變抗擾度和信號完整性。

圖1:48 V HEV中的啟動器/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)

在圖2中,電池管理系統(tǒng)(BMS)中的48 V電池組和微控制器MCU)位于高電壓側(cè),而MCU使用控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議與電子控制單元進(jìn)行通信。如果48 V側(cè)出現(xiàn)故障,則電壓可能會出現(xiàn)在12 V側(cè)。低電壓側(cè)的電路組件(本例中為CAN收發(fā)器)可能無法承受高電壓,且可能會損壞。在低壓側(cè)的CAN收發(fā)器與高壓側(cè)的微控制器之間使用隔離器將確保低壓電路的安全性,即使在高壓側(cè)有故障發(fā)生。

德國汽車工業(yè)協(xié)會320(VDA320)標(biāo)準(zhǔn)指定了汽車電氣和電子部件的故障電流測試(E48-20),其中測試電壓應(yīng)用于48V/12V隔離層,12V 和 48V 系統(tǒng)之間的預(yù)期電流必須小于 1 微安。配備隔離器可確保電流符合這一標(biāo)準(zhǔn)。

圖2:48V BMS框圖

如果您正在設(shè)計48V HEV系統(tǒng),并正在尋找與48V側(cè)接口的隔離器件。基于接口標(biāo)準(zhǔn),有一些選件可用于48V側(cè)和12V側(cè)之間的通信。

對于需要在12V和48V側(cè)之間進(jìn)行串行外圍設(shè)備接口(SPI)、通用異步接收器發(fā)送器(UART)或通用輸入/輸出(GPIO)通信的設(shè)計,您可以使用數(shù)字隔離器,例如ISO7741-Q1或ISO7721-Q1,具體取決于所需的隔離通道數(shù)。

當(dāng)您正在使用I2C通信來節(jié)省信號跡線數(shù)時,隔離式I2C器件,例如ISO1540-Q1(雙向數(shù)據(jù),雙向時鐘)ISO1541-Q1 (雙向數(shù)據(jù),雙向時鐘)可滿足此用途。

如果兩側(cè)之間存在CAN通信并且需要隔離時,您可以添加一個數(shù)字隔離器(例如ISO7721-Q1)與CAN收發(fā)器串聯(lián),或者使用集成的隔離式CAN器件(例如ISO1042-Q1)來節(jié)省空間。

數(shù)據(jù)通信只是解決方案的一部分。您還必須隔離兩側(cè)之間的電源,您可以使用反激式、反降壓或推挽拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)這一隔離。對于局部電源(例如,隔離式CAN收發(fā)器的電源),可以考慮可與外部變壓器、整流器和低壓降穩(wěn)壓器一起使用的變壓器驅(qū)動器,例如SN6501-Q1、SN6505A-Q1或SN6505B-Q1,以生成簡單的隔離式電源,如圖3所示。

圖3:具有穩(wěn)定輸出的隔離式電源的簡易電路

SN6501-Q1、SN6505A-Q1或SN6505B-Q1之間的主要區(qū)別在于每個驅(qū)動器的輸出電流、是否存在可減少輻射的擴(kuò)頻和不同的開關(guān)頻率。這些選項(xiàng)使您能夠選擇正確的器件,以滿足系統(tǒng)的輻射標(biāo)準(zhǔn)和電源要求。


盡管我已經(jīng)在48 V HEV的背景下討論了這些解決方案,但這些器件系列的隔離規(guī)格和更廣泛的封裝選項(xiàng)使這些系列也適用于電池電壓更高的EV。可以在對 EV 設(shè)計進(jìn)行少量修改的情況下重復(fù)使用HEV子系統(tǒng)的隔離部分,從而節(jié)省設(shè)計和布局時間。

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原文標(biāo)題:為什么信號隔離在48V HEV/EV系統(tǒng)中十分重要

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