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作者：德州儀器Anant Kamath 48V汽車(chē)應用中對隔離的需求持續增長(cháng)。這是一種緊湊、高效、穩健、低噪聲的方法，可通過(guò)CAN接口隔離48 V系統。 為今天的汽車(chē)設計是一種平衡行為。在滿(mǎn)足日益嚴格的排放標準和為越來(lái)越多的車(chē)載系統和小工具提供動(dòng)力之間，需為當今的車(chē)輛提供高功率，以獲得高效率。 為實(shí)現效率和功率的融合，工程師更加依賴(lài)于將48V電力運行與傳統燃氣發(fā)動(dòng)機相結合的系統，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）。這種方法可確保車(chē)輛滿(mǎn)足嚴格的二氧化碳（CO2）排放標準，同時(shí)還可改進(jìn)性能和驅動(dòng)質(zhì)量。 雖然關(guān)于雙電池汽車(chē)系統本身已有很多說(shuō)法，但我關(guān)注的是這些組合式12和48V系統中的一個(gè)關(guān)鍵且有時(shí)被忽視的組件：電流隔離。電流隔離用于抵抗接地噪聲，并在與其連接的48 V系統中接地斷開(kāi)或故障時(shí)保護12 V系統。 在本文中，我將討論48-V汽車(chē)應用中隔離的需求，并描述一種緊湊、高效、穩健和低噪聲的方法，通過(guò)控制區域網(wǎng)絡(luò )（CAN）接口隔離48-V系統。 使用48V電池的車(chē)輛電流隔離的必要性 即使在使用48V電池（通常為鋰離子電池）的車(chē)輛中，傳統的12V鉛酸電池仍可為控制電子設備和低功率設備供電。在這兩個(gè)耗材上運行的系統需要彼此通信。例如，48 V起動(dòng)發(fā)電機由引擎控制器控制，使用12 V電池供電。兩個(gè)系統的接地連接到汽車(chē)底盤(pán)。盡管從理論上講，兩個(gè)系統可直接相互連接（圖1a），但由于以下原因，電流隔離（圖1b）幾乎始終有必要： 瞬態(tài)地電位差：12 V系統的接地使用螺栓直接連接到汽車(chē)底盤(pán)。48 V模塊的接地使用幾英尺長(cháng)的電纜連接到汽車(chē)底盤(pán)。48 V系統（如啟動(dòng)發(fā)電機或交流壓縮機）中存在的大量開(kāi)關(guān)電流，結合接地電纜的電感特性，可能會(huì )導致瞬間接地噪聲，很容易損壞低壓3.3 V或5 V V通信信號。電流隔離對于確�？煽康臄祿䝼鬏斒潜匾�。 48 V側的接地斷開(kāi)：有時(shí)在故障條件下或維護期間，圖1a中的GND_48V可能會(huì )與底盤(pán)斷開(kāi)連接。模塊的48 V電源，轉而連接到48 V電池，可能仍然完好無(wú)損。在這種情況下，48 V系統的所有內部節點(diǎn)（包括12 V系統的接口）都可浮動(dòng)到48 V。這對12 V系統造成危險，因為它的輸入/輸出端口可能不是設計用于處理48 V。在圖1b中，相同的故障條件不會(huì )對12 V系統造成壓力。48 V出現在電流隔壘上，通常額定電壓高得多（如2.5 kV）。 短路情況：在圖1a中，48 V系統內部的任何短路都可能導致在與12 V系統的接口處出現48 V電壓。這種潛在危險可能危及多個(gè)在12 V電源上運行的電路，包括對車(chē)輛安全運行至關(guān)重要的電路。電流隔離有助于確保48 V系統上的任何短路不會(huì )傳播到車(chē)輛的12 V側。 
圖1.12 V和48 V系統之間的直接和電隔離連接。 使用CAN接口隔離48 V系統 可通過(guò)多種方式實(shí)現電流隔離，并在系統內的不同位置繪制隔離邊界。圖2所示為一種在CAN接口實(shí)現隔離的通用方法。在CAN接口與系統中的其他地方隔離具有使用最少數量的隔離通道的優(yōu)點(diǎn) - 僅需兩個(gè)隔離通道即可。這降低了成本和電路板空間。
2.所示為輕度混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛中的12V和48V側之間的電流隔離的示例。 隔離式DC-DC轉換器可提供隔離電源VISO，為48 V系統的某些部分供電。即使48 V電池完全放電，VISO也可確保數字隔離器和48 V系統的關(guān)鍵部件具有可用于操作的電源。若GND_48V斷開(kāi)，VISO也可用于將48V側置于安全狀態(tài)。 現已推出新型集成隔離式CAN收發(fā)器和隔離式DC-DC電源控制器現，有助于簡(jiǎn)化48 V系統中的隔離式CAN接口。圖3所示為一個(gè)示例48-V起動(dòng)發(fā)電機。您可為其他48 V系統使用類(lèi)似的隔離架構，如DC-DC轉換器、電池管理系統、加熱器和空氣壓縮機。
3.這款48V啟動(dòng)發(fā)電機采用隔離式CAN收發(fā)器和推挽式隔離電源。 單片集成隔離式CAN收發(fā)器，如德州儀器（TI）ISO1042-Q1（圖3），將高壓電流隔離與高性能CAN收發(fā)器集成，有助于減少電路板面積，同時(shí)改進(jìn)時(shí)序參數。從CAN的角度來(lái)看，低環(huán)路延遲和偏移使用CAN靈活數據速率實(shí)現高速數據通信。隔離提供對傳導和輻射干擾的免疫力。冗余或強化隔離將在故障條件下提供額外的保護余量。 當與外部變壓器一起使用時(shí)，德州儀器的SN6505-Q1SN6505-Q1等推挽變壓器驅動(dòng)器（也如圖3所示）可產(chǎn)生隔離電源VISO_HV（在10到15 V的范圍內），為金屬氧化物供電半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）柵極驅動(dòng)器，并可產(chǎn)生較低 VISO（3.3至5V范圍內），為單片機和隔離CAN器件的數字側供電。 推挽式拓撲結構使用兩個(gè)低側開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)在交替的時(shí)鐘相位中導通，以便在中心分接隔離變壓器上連續傳輸功率。拓撲結構采用前饋調節，輸出電壓純粹通過(guò)變壓器比率控制。與其他拓撲結構相比，連續功率傳輸可產(chǎn)生更低的峰值電流，從而降低排放并提高效率。對稱(chēng)驅動(dòng)器還可防止變壓器飽和，從而形成緊湊的變壓器。 在12 V側，非隔離式DC-DC轉換器或降壓器可產(chǎn)生5 V電源，為CAN收發(fā)器供電，同時(shí)也可作為推挽式隔離式DC-DC轉換器的輸入電壓。使用前置降壓使系統對12 V電池電源的變化不敏感，這種變化可能是由負載變化引起的。此外，在較低輸入電壓（5 V vs. 12 V）下操作會(huì )導致變壓器變小。 結論電流隔離是使用48V電池供電的汽車(chē)中極其重要的考慮因素。隔離用于抵抗接地噪聲，并在與其連接的48 V系統中接地斷開(kāi)或故障時(shí)保護12 V系統。在HEV中使用48V電源的系統的示例包括起動(dòng)器 - 發(fā)電機、電動(dòng)渦輪增壓器、電動(dòng)泵、空調、加熱器、電動(dòng)懸架和駕駛員輔助。集成隔離式CAN收發(fā)器與基于推挽式隔離式DC-DC電源相結合，可提供用于隔離48 V系統的緊湊、高效、穩健且低噪聲的技術(shù)。 |
