信號(hào)隔離

在雪佛蘭Volt的系統(tǒng)之系統(tǒng)中，通信與控制是汽車工作的基礎(chǔ)，而Volt提供了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于隔離和保護(hù)各個(gè)子系統(tǒng)。上述復(fù)雜算法需要管理各個(gè)鋰離子電池組，并監(jiān)視特定電池接口控制模塊上的每個(gè)檢測(cè)子系統(tǒng)內(nèi)的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包含在CAN總線信號(hào)接口和高壓故障信號(hào)中。與此同時(shí)，系統(tǒng)安全性和可靠性取決于CAN總線網(wǎng)絡(luò)與高壓檢測(cè)電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實(shí)現(xiàn)，但惡劣環(huán)境和多種安全法規(guī)使得光耦成為這類應(yīng)用的首選解決方案。

光耦可以提供很高的共模噪聲抑制能力，并且基本上不受與汽車等電氣噪雜環(huán)境有關(guān)的EMC和EMI的影響。另外，這類器件都有很厚的多層絕緣，在面臨來(lái)自電池組的長(zhǎng)期直流電壓應(yīng)力以及在測(cè)試、充電器連接/斷開(kāi)和直流/直流轉(zhuǎn)換期間可能發(fā)生的快速高壓瞬態(tài)情況時(shí)非常有用。

在選擇這類重要元件時(shí)，針對(duì)汽車應(yīng)用的關(guān)鍵要求包括合適的封裝和工作電壓指標(biāo)。雖然性能指標(biāo)(如速度、數(shù)據(jù)速率和功耗)仍很重要，但來(lái)自快速切換時(shí)間和大瞬態(tài)電流的EMI方面的考慮因素通常限制了對(duì)非常高速器件的需求，相反增加了對(duì)調(diào)整壓擺率和性能以進(jìn)一步限制EMI的更多靈活性要求。

汽車級(jí)光耦

安華高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽車電池接口控制模塊PCB中的隔離功能。M43T是安華高R2Coupler系列產(chǎn)品中的一員，是一種汽車級(jí)單通道數(shù)字光耦，采用5個(gè)引腳的SO-5 Jedec表貼封裝。為了增強(qiáng)絕緣性能，諸如M43T等安華高的R2Coupler器件使用雙綁定線來(lái)增強(qiáng)關(guān)鍵功能焊盤(pán)(圖7)。此外，密封式汽車級(jí)LED的使用展示了擴(kuò)展的可靠性和很寬的溫度范圍，這要比基于消費(fèi)級(jí)LED的光耦要高得多。以汽車應(yīng)用為目標(biāo)的安華高器件的制造符合ISO/TS16949質(zhì)量系統(tǒng)，并獲得了AEC-Q100規(guī)范的認(rèn)證。
 

 
圖7：在諸如ACPL-M43T光耦等汽車級(jí)R2Coupler器件中，安華高使用雙綁定線加固了關(guān)鍵功能焊盤(pán)(顯示在高亮區(qū))。（安華高科技公司提供）

ACPL-M43T能夠很好地滿足雪佛蘭Volt電池組要求，指標(biāo)包括567V連續(xù)工作電壓、6000V最大瞬態(tài)過(guò)電壓、5mm爬電距離和5mm間距。該器件的邏輯高或邏輯低輸出在10mA正向輸入電流時(shí)具有30 kV/μsec的共模瞬態(tài)抑制性能，從而能夠減少來(lái)自其它汽車子系統(tǒng)的瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)入CAN傳輸網(wǎng)絡(luò)的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足夠這類設(shè)計(jì)使用。另外，器件采用了開(kāi)漏輸出方式，設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)調(diào)整輸出壓擺率來(lái)降低下游元件中的快速開(kāi)關(guān)可能導(dǎo)致的電磁輻射。下游快速開(kāi)關(guān)元件包括CAN收發(fā)器，雖然在CAN物理層傳輸協(xié)議中其固有的EMI相對(duì)較低。

在電池接口模塊PCB中，M43T器件位于通信部分的邊緣，它將通信部分與高壓檢測(cè)子系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，而這個(gè)高壓檢測(cè)子系統(tǒng)還被更深PCB層中的地平面進(jìn)一步屏蔽。隔離接口提供3個(gè)獨(dú)立的M43T光耦，分別用于從每個(gè)檢測(cè)電路引出的3根線——即飛思卡爾S9S08DZ32 CAN Tx輸出引腳、MCU CAN Rx輸入引腳和來(lái)自MCU的高電壓故障信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，MCU CAN Tx引腳的輸出信號(hào)將通過(guò)PCB中的屏蔽信號(hào)層到達(dá)M43T器件的引腳1陽(yáng)極給嵌入式LED供電，并導(dǎo)致引腳5 Vo發(fā)生狀態(tài)改變(圖8)。隔離后的信號(hào)再傳送到電池接口模塊的通信輸出級(jí)電路。
 

 
圖8：安華高ACPL-M43T光耦用于隔離飛思卡爾S9S08DZ32 MCU和英飛凌CAN收發(fā)器之間的信號(hào)。(安華高科技公司提供)

CAN物理信號(hào)

英飛凌TLE6250G CAN收發(fā)器位于通信信號(hào)鏈的末端，是一款經(jīng)過(guò)AEC認(rèn)證的IC，可以提供物理電纜和CAN協(xié)議處理器——這里是S9S08DZ32 MCU(通過(guò)光耦隔離)之間的CAN物理層信號(hào)。這個(gè)器件的額定CAN傳輸速率是1M波特率，它能處理差分信號(hào)線上的CAN_H和CAN_L信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以及由S9S08DZ32發(fā)送和接收的CAN占有(dominant)位和空閑(recessive)位。

8引腳的TLE6250G包括了Tx、Rx、Vcc、GND、CAN_H和CAN_L引腳以及兩個(gè)模式控制引腳：INH和RM。當(dāng)TLE6250G檢測(cè)到Rx引腳上的信號(hào)從CAN空閑狀態(tài)改變到CAN占有狀態(tài)時(shí)，器件將交換CAN_H高和CAN_L低(圖9)。

狀態(tài)的這種對(duì)稱性變化可以有效降低EMI，因?yàn)镃AN_H上升造成的電磁輻射能被CAN_L的相反方向轉(zhuǎn)變所平衡。
 

 
圖9：在CAN物理層中，CAN_H和CAN_L的對(duì)稱性變化有助于降低EMI。(英飛凌科技公司提供)

TLE6250G器件支持3種工作模式：正常、待機(jī)和僅接收。當(dāng)RM引腳置低時(shí)，器件工作在僅接收模式，這對(duì)診斷來(lái)說(shuō)很有幫助。當(dāng)INH引腳置高時(shí)，器件進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，同時(shí)關(guān)閉發(fā)送和接收功能。

下一代系統(tǒng)

雪佛蘭Volt當(dāng)然是在商用化市場(chǎng)中投入生產(chǎn)的最復(fù)雜分布式嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用之一，它的設(shè)計(jì)在多個(gè)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。在影響Volt成功和電動(dòng)汽車市場(chǎng)普及的最重要系統(tǒng)中，汽車的鋰離子電池和相關(guān)的電池管理系統(tǒng)表明了汽車應(yīng)用中軟件和電路重要性的提高。根據(jù)最近發(fā)布的McKinsey市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，到2025年，新興鋰離子技術(shù)完全可以把電池容量提高80%至110%，價(jià)格則隨之下降，從而使電動(dòng)汽車的總體擁有成本能夠與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)汽車相抗?fàn)帯?duì)工程師來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)仍然表現(xiàn)為在面對(duì)更高的直流電壓、電池容量、數(shù)據(jù)速率和消費(fèi)者期望值的情況下如何發(fā)掘新興鋰離子電池系統(tǒng)的全部潛能。