作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

純電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 的設(shè)計者需要滿足對更高性能、更快充電速度和更高效率的需求。在有助于滿足這些需求的許多電子功能中，用于實現(xiàn)最佳功率控制的電壓精確檢測功能就是其中之一。

然而，汽車應(yīng)用尤其具有挑戰(zhàn)性。盡管存在極端溫度和需要適當(dāng)隔離的高電壓，但電力電子設(shè)備或器件仍必須可靠地運行數(shù)十年。這些應(yīng)用的電壓檢測電路必須具有高帶寬、小誤差、小漂移以及高共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)，并符合 AEC-Q100 等汽車標準。這些要求尤其適用于 EV 和 HEV 的關(guān)鍵部件，包括逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器。

基于變壓器的隔離放大器非常適合這些應(yīng)用。這些器件技術(shù)先進，惡劣條件下經(jīng)過幾十年后仍能保持卓越的性能。

本文探討隔離放大器的工作原理。然后，以采用 [Analog Devices]iCoupler 技術(shù)且基于變壓器的隔離放大器為例，介紹并回顧這類器件在 EV/HEV 開發(fā)中的潛在應(yīng)用，然后介紹一款有助于啟動設(shè)計過程的評估板。

基于變壓器的隔離放大器的工作原理

隔離放大器是專門的差分放大器，可在輸入和輸出電路之間提供電氣隔離。這種隔離可通過多種方式實現(xiàn)，但在 EV/HEV 應(yīng)用中，[ADuM3195]（圖 1）等基于變壓器的隔離放大器具有獨特的優(yōu)勢。

圖 1：ADuM3195 隔離放大器通過變壓器實現(xiàn)隔離。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

在基于變壓器的設(shè)計中，隔離是通過變壓器耦合實現(xiàn)的?；竟ぷ髟戆ㄒ韵虏襟E：

1. 將輸入信號轉(zhuǎn)換成高頻載波信號。
2. 然后，載波信號通過變壓器跨越隔離屏障進行傳輸。
3. 在變壓器次級側(cè)，從載波中重新構(gòu)建原始信號。

變壓器有兩個重要功能。變壓器在輸入和輸出電路之間實現(xiàn)電隔離，因此可安全地測量高電壓并保護敏感電路。此外，變壓器無需跨越隔離屏障進行直接電氣連接就能進行信號傳輸。

基于變壓器的隔離技術(shù)在電壓檢測應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢。這種放大器能有效抑制共模電壓，這在嘈雜的電氣環(huán)境中至關(guān)重要。此外，現(xiàn)代設(shè)計還實現(xiàn)了適合許多電力電子應(yīng)用的寬帶寬。

用于隔離放大器的小型平面變壓器的性能優(yōu)勢

由 Analog Devices 開發(fā)的 iCoupler 技術(shù)將隔離放大器的設(shè)計向前推進了一大步。iCoupler 器件采用微型平面變壓器，其典型直徑約為 0.5 mm，可實現(xiàn)非常緊湊的解決方案。小巧的外形還能抵御外部磁場，從而提高可可靠性。

iCoupler 性能的核心是聚酰亞胺絕緣層（圖 2）。這種絕緣材料具有很高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，使器件經(jīng)久耐用。這種材料能承受超過 10 kV 的浪涌電壓，能在 400 伏均方根 (V RMS ) 電壓下長期連續(xù)可靠地工作。

圖 2：iCoupler 性能的核心是聚酰亞胺絕緣層。這種絕緣材料具有很高的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

在高頻下運行，支持高達每秒 150 兆比特 (Mb/s) 的數(shù)據(jù)傳輸速度，這是 iCoupler 技術(shù)的基本特征之一。這種功能是通過高效的信號編碼方法實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)被編碼為 1 納秒 (ns) 脈沖，可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸和低功耗，且每個通道的功耗通常低于 1 毫安 (mA) （圖 3）。

圖 3：高效的編碼方法使 iCoupler 器件能以 150 Mb/s 的速度傳輸數(shù)據(jù)，且每通道的電流消耗通常小于 1 mA。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

此外，iCoupler 器件還集成了輸入短時脈沖波干擾濾波器，可降低噪聲并確保信號傳輸?shù)募儍舳?，從而提高電磁嘈雜的汽車環(huán)境下的性能。

汽車級隔離放大器的主要特點

包括 [ADuM3195WBRQZ] 隔離放大器在內(nèi)的多款器件都采用了 iCoupler 技術(shù)。這款符合 AEC-Q100 標準的 ADuM3195 專為汽車環(huán)境而設(shè)計。該器件的隔離電壓為 3,000 V RMS ，25°C 時輸出失調(diào)電壓為 ±6 毫伏 (mV)（最大值），增益誤差為 ±0.5%（最大值），帶寬為 210 千赫茲 (kHz)，增益漂移為 ±27 百萬分之一每 °C (ppm/°C)（最大值），失調(diào)漂移為 -22 微伏每 °C (μV/°C)（典型值）。該器件的 CMTI 為 150 kV 每微秒 (kV/μs)（典型值），工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，可配置增益設(shè)置，采用 16 引線 QSOP 封裝。

這些特性使 ADuM3195WBRQZ 適合在苛刻的汽車應(yīng)用中進行準確的隔離電壓測量，具體包括：

• 電池管理系統(tǒng) (BMS) 中的電壓監(jiān)控
• 電源中的反饋回路
• 變頻器和電機驅(qū)動系統(tǒng)

ADuM3195WBRQZ 具有高精度、寬帶寬、低功耗和強隔離能力，是 EV/HEV 系統(tǒng)電壓檢測的特別有效的解決方案。

逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器的隔離放大器要求

ADuM3195WBRQZ 隔離放大器能夠克服包括逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器在內(nèi)的 EV/HEV 電源系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

其 210 kHz 的帶寬可實現(xiàn)低于 5 μs 的響應(yīng)時間，這對于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的高效充電、精確的逆變器控制和最小化電壓紋波至關(guān)重要。這種高帶寬還支持使用更小的無源器件，支持寬帶隙器件集成，從而提高整體系統(tǒng)效率和功率密度。

ADuM3195WBRQZ 的高阻抗輸入最大限度地減少了與測量相關(guān)的功率損耗，并使轉(zhuǎn)換器和逆變器穩(wěn)定運行。減少電流消耗還能降低輔助電路上的應(yīng)力，從而提高系統(tǒng)可靠性。

ADuM3195WBRQZ 耐高溫，可以放置在電機、車載充電器和再生制動系統(tǒng)等發(fā)熱元件附近，從而有助于防止熱失控、管理熱循環(huán)并避免電力電子器件出現(xiàn)發(fā)熱點。

對于處理各種輸出電壓的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，ADuM3195WBRQZ 的低失調(diào)誤差和低失調(diào)漂移特性可確保在溫度變化時實現(xiàn)準確的電壓反饋。這種準確度有助于實現(xiàn)精確控制、減少紋波和提高傳動系統(tǒng)性能。

ADuM3195WBRQZ 的 3,000 VRMS 隔離電壓可保護低壓電子設(shè)備和用戶不受高壓系統(tǒng)（高達 400 V）的影響。該器件能在 EV 電池系統(tǒng)的功率級和控制電路之間提供有效的噪聲抑制，同時連接低壓系統(tǒng) (12/48 V)。

通過滿足這些關(guān)鍵要求，ADuM3195WBRQZ 提高了 EV/HEV 電源系統(tǒng)的性能、效率和安全性。

值得注意的是，[ADuM4195]可滿足更高的系統(tǒng)電壓要求，提供高達 5,000 VRMS 的隔離電壓和高達 800 V 的低壓電子器件保護。

啟動 ADuM3195 的開發(fā)

[EVAL-ADuM3195EBZ]（圖 4）是一款緊湊型評估板，用于測試和評估 ADuM3195 隔離放大器的性能特征。這是一款隔離式電壓監(jiān)控板，經(jīng)配置后可用于 DC 和 AC 測量。該電路板經(jīng)過預(yù)配置，可處理高達 1,000 VDC 的（連續(xù)）輸入電壓。

圖 4：EVAL-ADuM3195EBZ 評估板專為設(shè)置和測試 ADuM3195 而設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

EVAL-ADuM3195EBZ 評估板的功能在多個方面有助于啟動 EV/HEV 應(yīng)用開發(fā)：

• 高電壓隔離和測量：該電路板用于安全測量高達 1,000 V 的高 DC 電壓，這與 EV/HEV 電池系統(tǒng)尤為相關(guān)。這使開發(fā)人員能夠監(jiān)控電池組電壓、測量 BMS 中的單電池電壓，并與高壓 DC 母線連接。
• 可配置輸入范圍：輸入分壓器可以調(diào)整，以適應(yīng) EV/HEV 中常見的不同電壓范圍。例如，許多 EV 通常采用 400 VDC 總線，較新的 EV 架構(gòu)采用 800 V 系統(tǒng)，而 48 V 輕度混合動力系統(tǒng)的電壓范圍較低。
• AC 測量功能：只需稍加改動，電路板就能測量 AC 電壓，這對電機驅(qū)動逆變器的輸出監(jiān)控、AC 充電系統(tǒng)測量以及高壓線路電磁干擾 (EMI)/噪聲分析很有幫助。
• 低功耗選項：為降低功耗，當(dāng)需要謹慎用電時，電源禁用 (PDIS) 輸入功能可禁用內(nèi)部電源。

結(jié)束語

EV 和 HEV 設(shè)計人員需要在各種子系統(tǒng)中進行精確檢測，以實現(xiàn)性能和能效目標。基于微型變壓器的隔離放大器（如通過 AEC-Q100 認證的 ADuM3195WBRQZ）非常適合這種應(yīng)用，該器件集性能、微型化和長使用壽命于一身，能夠滿足關(guān)鍵的設(shè)計要求。隔離放大器的相關(guān)評估板有助于設(shè)計人員快速啟動和運行。

審核編輯 黃宇