信号隔离 - 电动汽车电源设计挑战:高压锂离子电池组管理系统

信号隔离

在雪佛兰Volt的系统之系统中，通信与控制是汽车工作的基础，而Volt提供了多个网络用于隔离和保护各个子系统。上述复杂算法需要管理各个锂离子电池组，并监视特定电池接口控制模块上的每个检测子系统内的电池组。然而，最终总体电池管理需要的关键数据包含在CAN总线信号接口和高压故障信号中。与此同时，系统安全性和可靠性取决于CAN总线网络与高压检测电路的安全隔离度。虽然隔离可以用各种方法和元件实现，但恶劣环境和多种安全法规使得光耦成为这类应用的首选解决方案。

光耦可以提供很高的共模噪声抑制能力，并且基本上不受与汽车等电气噪杂环境有关的EMC和EMI的影响。另外，这类器件都有很厚的多层绝缘，在面临来自电池组的长期直流电压应力以及在测试、充电器连接/断开和直流/直流转换期间可能发生的快速高压瞬态情况时非常有用。

在选择这类重要元件时，针对汽车应用的关键要求包括合适的封装和工作电压指标。虽然性能指标(如速度、数据速率和功耗)仍很重要，但来自快速切换时间和大瞬态电流的EMI方面的考虑因素通常限制了对非常高速器件的需求，相反增加了对调整压摆率和性能以进一步限制EMI的更多灵活性要求。

汽车级光耦

安华高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽车电池接口控制模块PCB中的隔离功能。M43T是安华高R2Coupler系列产品中的一员，是一种汽车级单通道数字光耦，采用5个引脚的SO-5 Jedec表贴封装。为了增强绝缘性能，诸如M43T等安华高的R2Coupler器件使用双绑定线来增强关键功能焊盘(图7)。此外，密封式汽车级LED的使用展示了扩展的可靠性和很宽的温度范围，这要比基于消费级LED的光耦要高得多。以汽车应用为目标的安华高器件的制造符合ISO/TS16949质量系统，并获得了AEC-Q100规范的认证。
 

 
图7：在诸如ACPL-M43T光耦等汽车级R2Coupler器件中，安华高使用双绑定线加固了关键功能焊盘(显示在高亮区)。（安华高科技公司提供）

ACPL-M43T能够很好地满足雪佛兰Volt电池组要求，指标包括567V连续工作电压、6000V最大瞬态过电压、5mm爬电距离和5mm间距。该器件的逻辑高或逻辑低输出在10mA正向输入电流时具有30 kV/μsec的共模瞬态抑制性能，从而能够减少来自其它汽车子系统的瞬态信号进入CAN传输网络的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足够这类设计使用。另外，器件采用了开漏输出方式，设计工程师可以通过调整输出压摆率来降低下游元件中的快速开关可能导致的电磁辐射。下游快速开关元件包括CAN收发器，虽然在CAN物理层传输协议中其固有的EMI相对较低。

在电池接口模块PCB中，M43T器件位于通信部分的边缘，它将通信部分与高压检测子系统隔离开来，而这个高压检测子系统还被更深PCB层中的地平面进一步屏蔽。隔离接口提供3个独立的M43T光耦，分别用于从每个检测电路引出的3根线——即飞思卡尔S9S08DZ32 CAN Tx输出引脚、MCU CAN Rx输入引脚和来自MCU的高电压故障信号。举例来说，MCU CAN Tx引脚的输出信号将通过PCB中的屏蔽信号层到达M43T器件的引脚1阳极给嵌入式LED供电，并导致引脚5 Vo发生状态改变(图8)。隔离后的信号再传送到电池接口模块的通信输出级电路。
 

 
图8：安华高ACPL-M43T光耦用于隔离飞思卡尔S9S08DZ32 MCU和英飞凌CAN收发器之间的信号。(安华高科技公司提供)

CAN物理信号

英飞凌TLE6250G CAN收发器位于通信信号链的末端，是一款经过AEC认证的IC，可以提供物理电缆和CAN协议处理器——这里是S9S08DZ32 MCU(通过光耦隔离)之间的CAN物理层信号。这个器件的额定CAN传输速率是1M波特率，它能处理差分信号线上的CAN_H和CAN_L信号之间的转换，以及由S9S08DZ32发送和接收的CAN占有(dominant)位和空闲(recessive)位。

8引脚的TLE6250G包括了Tx、Rx、Vcc、GND、CAN_H和CAN_L引脚以及两个模式控制引脚：INH和RM。当TLE6250G检测到Rx引脚上的信号从CAN空闲状态改变到CAN占有状态时，器件将交换CAN_H高和CAN_L低(图9)。

状态的这种对称性变化可以有效降低EMI，因为CAN_H上升造成的电磁辐射能被CAN_L的相反方向转变所平衡。
 

 
图9：在CAN物理层中，CAN_H和CAN_L的对称性变化有助于降低EMI。(英飞凌科技公司提供)

TLE6250G器件支持3种工作模式：正常、待机和仅接收。当RM引脚置低时，器件工作在仅接收模式，这对诊断来说很有帮助。当INH引脚置高时，器件进入低功耗待机模式，同时关闭发送和接收功能。

下一代系统

雪佛兰Volt当然是在商用化市场中投入生产的最复杂分布式嵌入式系统应用之一，它的设计在多个领域处于领先水平。在影响Volt成功和电动汽车市场普及的最重要系统中，汽车的锂离子电池和相关的电池管理系统表明了汽车应用中软件和电路重要性的提高。根据最近发布的McKinsey市场调查报告，到2025年，新兴锂离子技术完全可以把电池容量提高80%至110%，价格则随之下降，从而使电动汽车的总体拥有成本能够与内燃机驱动的传统汽车相抗争。对工程师来说，挑战仍然表现为在面对更高的直流电压、电池容量、数据速率和消费者期望值的情况下如何发掘新兴锂离子电池系统的全部潜能。