用于高壓、高容量電池系統(tǒng)的低成本 isoSPI 耦合電路

內(nèi)置到 LTC6804 電池組監(jiān)視器中的 isoSPI™ 功能與 LTC6820 isoSPI 通信接口相結(jié)合，可以跨高壓勢壘提供安全可靠的信息傳輸。在通過存儲單元串聯(lián)連接產(chǎn)生數(shù)百伏電壓的能量存儲系統(tǒng)中，isoSPI 尤其有用，這類系統(tǒng)需要徹底的電介質(zhì)隔離，以最大限度地減少對人員的危害。

在典型 isoSPI 應(yīng)用 (圖 1) 中，脈沖變壓器提供電介質(zhì)隔離，抑制可能對配線系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響的共模干擾。用很容易買到、價格不貴的以太網(wǎng) LAN 磁性元件就可以實現(xiàn) iso SPI 功能，實現(xiàn)該功能的電路一般包括一個改善共模線路噪聲性能的共模扼流圈部分 (如圖 1 所示) 以及很有用的 100Ω 線路終端電阻器和共模去耦電容器。

圖 1：isoSPI 點對點鏈路概略圖

普通信號變壓器 (包括以太網(wǎng)和柵極驅(qū)動器型) 是用漆包絕緣線纏繞的，這可能有針孔大小的絕緣缺陷，使銅線暴露于空氣之中，這固有地限制了繞組之間的偏置，而繞組間偏置正是對此類變壓器進(jìn)行認(rèn)證的依據(jù)。在生產(chǎn)中，用高壓 (稱為 hi-pot 篩選) 測試這類變壓器，以確定總的絕緣問題，一般為 1.5kV。這一絕緣電壓是針對 60V 長期偏置設(shè)定的安全設(shè)計裕度，因為在微小腐蝕的環(huán)境中，往往需要超過 60V 的電壓才能在繞組之間構(gòu)成傳導(dǎo)通路。

問題：高壓=高成本

就 400V 范圍的電池組電壓而言，良好的設(shè)計實踐是，采用加強 (雙重) 絕緣，用高達(dá) 3750V 或更高的電壓進(jìn)行 hi-pot 測試，以此確定變壓器的性能規(guī)格。由于所需爬電距離 (表面距離) 和空隙 (空氣間隔) 尺寸較大，所以這類變壓器很難找到小型產(chǎn)品，而且相對比較昂貴。isoSPI 用于高達(dá) 1kV 的電池系統(tǒng)，這就要求變壓器經(jīng)過 5kV 的 hi-pot 測試，以留出保守的設(shè)計裕度。在這種情況下，隔離組件可能很大、很昂貴，而且有損于脈沖保真度。

解決方案：分而治之

一種不采用加強絕緣變壓器的解決方案是，通過將額外的絕緣要求轉(zhuǎn)移到耦合電容器上，將偏置要求從磁性元件上剝離出來。僅靠電容器就能提供看似完整的隔離選擇，電容器既不提供共模抑制，也不提供變壓器所具備的抗沖擊隔離特性，因此 L-C 方法實際上是最佳的。采用這種方法時，電容器充電至標(biāo)稱 DC 偏置值，讓變壓器處理瞬態(tài)問題，而對于瞬態(tài)問題的處理，即使普通變壓器也很適合。

耦合電容器用電阻值很大的電阻器偏置，一般連接到變壓器的中央抽頭連接點，如圖 2 所示。這樣做還有一個好處，如果偏置電阻器的 DC 電流受到監(jiān)視，那么任何電介質(zhì)擊穿都成了可檢測故障。所選擇的電阻值很大，例如 10MΩ，以使故障電流低于變壓器細(xì)線額定值，同時對人員的沖擊損害最小。

圖 2：AC 耦合的 isoSPI 點對點鏈路適合更高電壓

將高壓要求從變壓器磁性元件設(shè)計中剝離出來以后，就出現(xiàn)了幾種成本相對較低的選擇。一種是僅使用得到批準(zhǔn)的以太網(wǎng)變壓器。另一種是使用現(xiàn)成有售的扁平磁性元件，以降低組件高度和組件重量 (減輕焊料疲勞問題)。這類變壓器像其他任何組件一樣，可以采用自動化表面貼裝組裝方法安裝，從而降低了生產(chǎn)成本。具備上述特點的一個很好的組件選擇是分立式共模扼流圈 (CMC)，CMC 具備變壓器結(jié)構(gòu)，通常用作濾波組件。這類組件的電感可高達(dá) 100µH，已得到批準(zhǔn)以用于汽車系統(tǒng)，因此也成為 isoSPI 配置希望使用的組件。

適用的 CMC 價格不貴。CMC 是用機器在芯片大小的鐵氧體上纏繞線對而成，可簡便快速地生產(chǎn)。盡管為了使持續(xù)時間較長的脈沖波形有效通過，isoSPI 設(shè)計需要略高一點的電感，但是可以通過使用兩個扼流圈來得到充足的電感，讓兩個扼流圈的繞組串聯(lián)，就可產(chǎn)生 200µH 電感。這還帶來了一個額外的好處，即基本上構(gòu)成了中央抽頭連接，這對共模偏置和去耦功能很有用。

圖 3 顯示了用兩個 CMC 實現(xiàn)的等效變壓器模型。圖中所示扼流圈的占板面積為 1812 SMT，采用雙線繞組 (纏繞時使用成對導(dǎo)線)，因此主邊和副邊是嚴(yán)密匹配的，從而最大限度地減小了漏電感，因此保持了良好的高頻性能。變壓器如果采用物理上分開的繞組，脈沖保真度較差，因為漏電感太大。圖中所示變壓器具備 50V DC 額定值。

圖 3：用兩個共模扼流圈構(gòu)成具備中央抽頭的 isoSPI 變壓器

完整電路

圖 4 顯示了采用 L-C 解決方案和以 CMC 為變壓器的完整電路。既然通常的 isoSPI 應(yīng)用包括非常有益的 CMC 濾波部分 (采用標(biāo)準(zhǔn) LAN 組件時，這部分是集成在內(nèi)的)，所以圖 4 電路包括一個建議采用的分立式組件，以保留濾波功能。耦合電容器是 10nF 至 33nF 的高質(zhì)量組件，占板面積為 1812 SMT (額定值為 630V 或 1kV)。這里我們假定，LTC6820 以機架地電位工作，以使雙絞線的偏置處于安全水平。

圖 4：完整的高壓 isoSPI 點對點鏈路

當(dāng)雙絞線對的兩個端子都處于浮置地電位時，如同菊花鏈?zhǔn)竭B接的 LTC6804-1 模塊之間的鏈路那樣，就可以在鏈路的兩個端子上使用電容器，線對本身也可以通過連接到每條線上的高阻值電阻器偏置到“地”電位，如圖 5 所示。因為圖中電容器是串聯(lián)的，那么建議至少使用 22nF 電容器 (圖中所示為 33nF/630V)。

圖 5：采用隔離配線的高壓菊花鏈?zhǔn)?isoSPI 鏈路

在同一塊電路板上以菊花鏈方式連接的 LTC6804-1 之間的鏈路不需要任何電容器耦合，因為其電位通常 <50V，而且由于沒有電纜，進(jìn)入的噪聲小得多，所以常常僅需要單個變壓器 (圖 6)。

圖 6：菊花鏈?zhǔn)?isoSPI 鏈路用來在同一塊電路板上實現(xiàn)互連

高壓布局

印刷電路板布局應(yīng)該跨主要電解質(zhì)勢壘 (即電容器) 設(shè)置很寬的隔離間隔。圖 7 顯示了一種組件布局實例，圖中電路可提供良好的高壓性能，藍(lán)色區(qū)域代表機架地 (左邊具備雙絞線連接器) 和 IC 公共接口 (右邊)。

圖 7：建議采用的印刷電路板布局，可在 isoSPI 接口端提供良好的高壓性能

請注意，變壓器必須承受 HV 瞬態(tài)電位，因此圖中也用 1206 大小的偏置電阻器保持空隙。HF 去耦電容器和阻抗終端電阻器可以是小型組件 (如圖所示為 0602 大小)。

另一種避免跨 HV 勢壘產(chǎn)生漏電流的良好做法是，在 HV 組件 (跨地線之間“縫隙”的組件) 區(qū)域抑制阻焊層。這為有效沖洗組件下方的剩余焊劑提供了方便，并避免濕氣滯留在多孔阻焊層中。

需要特殊考慮的 isoSPI 總線問題

前述電路適用于點對點 isoSPI 鏈路，但是提供高壓解決方案時需要應(yīng)對的重要問題之一是連接到總線的可尋址 LTC6804-2，該器件的雙絞線鏈路通過每一個“抽頭”連接點，如圖 8 所示?？偩€應(yīng)用對所有變壓器都有高壓要求，因為同一個雙絞線電位必須與浮置電池組的任何電壓接口。

與前述相同，這里也用 CMC 和 AC 耦合電容器增強絕緣性，但是我們建議采用略有不同的耦合電路，以衰減大量反射信號，為通信器件提供一致的波形，而不論這些器件在網(wǎng)絡(luò)中的物理位置。不同之處有 3 種：

LTC6820 終端變?yōu)?100pF 電容器 (CT)。

遠(yuǎn)端終端僅用于運行中的總線 (RT)，并設(shè)定為 68Ω (任何 LTC6804-2 都沒有終端)。

所有總線連接都采用 22Ω 耦合電阻器 (RC)，以對雜散容性負(fù)載去耦。

這些差別都顯示在圖 8 所示電路中，該電路再次假設(shè) LTC6820 以安全的“大地”電位工作。修改后的波形是帶限的，以控制反射信號引起的失真，因此 IC 引腳處接收到的脈沖看似更加圓滑，如圖 9 所示，不過 isoSPI 脈沖鑒別器電路可以很好地運用這種修改后的波形，支持總共提供 16 個地址的總線。視給定系統(tǒng)中遇到的實際損耗的不同而不同，也許有必要降低脈沖檢測門限，以實現(xiàn)最佳工作狀態(tài) (將門限設(shè)置為差分信號峰值的 40% 至 50%)。

圖 8：具備回波控制的完整高壓 isoSPI 總線

圖 9：在 isoSPI 總線應(yīng)用中，修改后的脈沖波形以用于回波控制

請注意，就地址數(shù)量少于等于 5 個的網(wǎng)絡(luò)而言，信號反射一般不是重要的問題，因此可以保留標(biāo)準(zhǔn)電阻性終端 (即在圖 8 中的 CTERM 和 RTERM 位置放置 100Ω 電阻器，而 RC 則省略掉)。

結(jié)論

采用 AC 耦合方法可以減輕高壓 isoSPI 系統(tǒng)的成本問題，而且無需要求磁性元件提供雙重絕緣。用價格不貴、纏繞在繞線管上的共模扼流圈 (CMC) 組件取代專門的螺旋管型變壓器磁性元件，還可以進(jìn)一步降低成本。電容器和 CMC 都是相對扁平的表面貼裝芯片組件，價格富有競爭力，而且其高可靠性經(jīng)過審查，可用于汽車系統(tǒng)。用于 AC 耦合的偏置電阻器為監(jiān)視系統(tǒng)的電介質(zhì)完整性提供了一種非常有用的途徑。