數字隔離器:解決汽車xEV應用中的設計難題

在為汽車xEV應用開發解決方案時，設計師會遇到的一個難題是如何在高壓電池域與低壓電池域電子元件之間傳遞數字數據。這一難題出現在多種應用之中，比如電池電壓監測、電池電流測量、高壓接觸器監測、電機控制等。一種典型的電池管理系統(BMS)應用如圖1所示，其中高亮顯示的幾個區域需要數字信號隔離，接下來我們將以其為基礎，探討各種設計考慮因素。

在BMS應用中，設計師需要開發一種解決方案，以將來自各種集成電路的高速數字信號跨過隔離柵進行傳輸。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在典型的12V汽車電壓域的BMS控制器電子元件，使其免受以高壓(最高可達500V)電池域為基準的電子元件的影響，同時還須具有卓越的耐受力，能承受車輛電力傳動系統產生的高壓電池瞬變。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生的電擊風險的影響。

圖1 一種電池管理系統的典型配置

對于隔離柵要求，設計師可以參閱各種行業標準，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，設計師則會遇到諸多難題，必須考慮幾個關鍵性能參數，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(在汽車整個生命周期)。本文將重點探討器件功耗和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，目前市場上有多種技術可用，而在選擇元件時可以考慮兩種技術：基于光耦合器的隔離和基于數字技術的隔離。光耦合器通過LED產生光的方式進行工作，光通過一個透明隔離柵傳導至一個光檢測器，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。

需要考慮的第一個設計難題是器件的功耗，結果將為設計師帶來兩個挑戰。靜態吸電流是xEV電子設計關注的重點之一，因為車輛在關斷狀態下的功耗會導致高壓電池組最后一次已知充電狀態出現偏差。另外，當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，目標是將功耗降至最低。為了解決靜態功耗問題，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1MHz的SPI接口，則對于SPI通信總線所需要的四個數字隔離通道而言，像ADI ADuM1401一樣的數字隔離器將消耗2.4mA的低壓域工作電流和1.4mA的高壓域工作電流。該值適用于以下工作條件：典型汽車5V的工作電壓范圍以及汽車擴展-40℃~125℃的工作溫度范圍。與之相當的基于光耦合器的解決方案，每個隔離通道至少需要4mA的電流，而設計師還須考慮5V電壓范圍和工作溫度的變化。考慮這些變化會使每個隔離通道的吸電流提升至10mA，結果使同一SPI通信總線的低壓域工作電流達到30mA，高壓域工作電流則達10mA。

相對于傳統光耦合器解決方案，ADuM1401一類的數字隔離器在工作功耗方面具有顯著優勢。

需要解決的第二個難題是BMS電子設計工程師面臨的機械設計限制。在BMS開發中，PCB面積是一種珍貴的資產，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ADuM1401W。ADuM1401W采用16引腳SOIC_W封裝，其標準JEDEC封裝尺寸為10.3mm×10.3mm，元件總面積為106mm2。與之相當的光耦合器解決方案要求四個5引腳SOIC封裝器件，其標準JEDEC封裝尺寸為7mm×3.6mm，單元件面積為25.2mm2。需要在PCB板上放置四個元件，而器件之間一般需要1.2mm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134.5mm2的空間。顯然，使用數字隔離器解決方案，設計師已經可以節省大約28mm2的面積。

在限定隔離器件面積之后，設計師接下來要考慮整個解決方案所需要的支持元件。數字隔離器(如ADuM1401W)需要使用兩個外部旁路電容。假設采用0603封裝電容，則占用面積為2.5mm2。對于典型的光耦合器解決方案，設計師必須增加四個電阻(5.1mm2)、四個電容(5.1mm2)和4個前驅電路(33mm2)，因為多數微控制器無法處理其GPIO引腳的10mA功耗要求。至此，設計師可以看到，在需要考慮PCB板面積時，數字隔離器具有明顯優勢。

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

對于光耦合器解決方案，需要一個單獨的DC-DC轉換器，用于提供隔離工作電壓以驅動高壓端接口，結果將進一步增加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SPI接口隔離通道，同時還集成了用于驅動高壓端接口的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現方案，如圖2所示。

圖2 PCB板空間比較

總結

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。通過運用數字隔離器，設計師可以為其應用實現功耗和PCB板面積的雙節省。