為什么信號(hào)隔離在48V HEV/EV系統(tǒng)中十分重要

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛與 混合電動(dòng)車輛（HEV）或電動(dòng)車輛（EV） 之間的一個(gè)主要區(qū)別之一是存在多節(jié)電池和電壓等級(jí)。內(nèi)燃機(jī)由單個(gè)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(lái)保護(hù)低壓電路免受高壓影響。顯然，對(duì)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(lái)分析一下。

圖1：48 V HEV中的啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)

48V HEV中的隔離

即使電壓不高達(dá)400V或800V，隔離對(duì)于48V混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)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(gè) 起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng) ，其中包括H橋和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的功率級(jí)處在48V側(cè)。這些FET的開(kāi)關(guān)會(huì)引起電壓瞬變（dv/dt），這可能會(huì)在48V接地端產(chǎn)生一些共模噪聲。沒(méi)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(hào)完整性。通過(guò)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(hào)完整性。

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(huì)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(wú)法承受高電壓，且可能會(huì)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(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì) 320（VDA320）標(biāo)準(zhǔn)指定了汽車電氣和電子部件的故障電流測(cè)試（E48-20），其中測(cè)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)。

Figure 2: 48-V BMS block diagram

圖2：48V BMS框圖

如果您正在設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)，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)您下正在使用I2C通信來(lái)節(jié)省信號(hào)跡線數(shù)時(shí)，隔離式I2C器件，例如 ISO1540-Q1 （雙向數(shù)據(jù)，雙向時(shí)鐘） ISO1541-Q1 （雙向數(shù)據(jù)，雙向時(shí)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(shí)，您可以添加一個(gè)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(lái)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(duì)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(dòng)器，例如 SN6501-Q1 、 SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1 ，以生成簡(jiǎn)單的隔離式電源，如圖3所示。

SN6501-Q1 、 SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1 之間的主要區(qū)別在于每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出電流、是否存在可減少輻射的擴(kuò)頻和不同的開(kāi)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?？梢栽趯?duì) EV 設(shè)計(jì)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(jì)和布局時(shí)間。

圖3：具有穩(wěn)定輸出的隔離式電源的簡(jiǎn)易電路