簡(jiǎn)化HEV 48V系統(tǒng)的隔離CAN、電源接口

48V汽車(chē)應(yīng)用中對(duì)隔離的需求持續(xù)增長(zhǎng)。這是一種緊湊、高效、穩(wěn)健、低噪聲的方法，可通過(guò)CAN接口隔離48 V系統(tǒng)。

為今天的汽車(chē)設(shè)計(jì)是一種平衡行為。在滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和為越來(lái)越多的車(chē)載系統(tǒng)和小工具提供動(dòng)力之間，需為當(dāng)今的車(chē)輛提供高功率，以獲得高效率。

為實(shí)現(xiàn)效率和功率的融合，工程師更加依賴于將48V電力運(yùn)行與傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的系統(tǒng)，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)。這種方法可確保車(chē)輛滿足嚴(yán)格的二氧化碳(CO2)排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還可改進(jìn)性能和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量。

雖然關(guān)于雙電池汽車(chē)系統(tǒng)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(tǒng)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48V系統(tǒng)中接地?cái)嚅_(kāi)或故障時(shí)保護(hù)12V系統(tǒng)。

在本文中，我將討論48V汽車(chē)應(yīng)用中隔離的需求，并描述一種緊湊、高效、穩(wěn)健和低噪聲的方法，通過(guò)控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)接口隔離48V系統(tǒng)。

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(tǒng)的12V鉛酸電池仍可為控制電子設(shè)備和低功率設(shè)備供電。在這兩個(gè)耗材上運(yùn)行的系統(tǒng)需要彼此通信。例如，48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)由引擎控制器控制，使用12V電池供電。兩個(gè)系統(tǒng)的接地連接到汽車(chē)底盤(pán)。盡管從理論上講，兩個(gè)系統(tǒng)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：12V系統(tǒng)的接地使用螺栓直接連接到汽車(chē)底盤(pán)。48V模塊的接地使用幾英尺長(zhǎng)的電纜連接到汽車(chē)底盤(pán)。48V系統(tǒng)(如啟動(dòng)發(fā)電機(jī)或交流壓縮機(jī))中存在的大量開(kāi)關(guān)電流，結(jié)合接地電纜的電感特性，可能會(huì)導(dǎo)致瞬間接地噪聲，很容易損壞低壓3.3V 或5V通信信號(hào)。電流隔離對(duì)于確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸是必要的。

48V側(cè)的接地?cái)嚅_(kāi)：有時(shí)在故障條件下或維護(hù)期間，圖1a中的GND_48V可能會(huì)與底盤(pán)斷開(kāi)連接。模塊的48V電源，轉(zhuǎn)而連接到48V電池，可能仍然完好無(wú)損。在這種情況下，48V系統(tǒng)的所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(包括12V系統(tǒng)的接口)都可浮動(dòng)到48V。這對(duì)12V系統(tǒng)造成危險(xiǎn)，因?yàn)樗妮斎?輸出端口可能不是設(shè)計(jì)用于處理48V。在圖1b中，相同的故障條件不會(huì)對(duì)12V系統(tǒng)造成壓力。48V出現(xiàn)在電流隔壘上，通常額定電壓高得多(如2.5kV)。

短路情況：在圖1a中，48V系統(tǒng)內(nèi)部的任何短路都可能導(dǎo)致在與12V系統(tǒng)的接口處出現(xiàn)48V電壓。這種潛在危險(xiǎn)可能危及多個(gè)在12V電源上運(yùn)行的電路，包括對(duì)車(chē)輛安全運(yùn)行至關(guān)重要的電路。電流隔離有助于確保48V系統(tǒng)上的任何短路不會(huì)傳播到車(chē)輛的12V側(cè)。

圖1.12V和48V系統(tǒng)之間的直接和電隔離連接。

使用CAN接口隔離48V系統(tǒng)

可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)電流隔離，并在系統(tǒng)內(nèi)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(xiàn)隔離的通用方法。在CAN接口與系統(tǒng)中的其他地方隔離具有使用最少數(shù)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。

圖2.輕度混合動(dòng)力電動(dòng)氣車(chē)中12V和48V側(cè)之間電流隔離的示例。

隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供隔離電源VISO，為48V系統(tǒng)的某些部分供電。即使48V電池完全放電，VISO也可確保數(shù)字隔離器和48 V系統(tǒng)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(cè)置于安全狀態(tài)。

現(xiàn)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，有助于簡(jiǎn)化48V系統(tǒng)中的隔離式CAN接口。圖3所示為一個(gè)示例48V起動(dòng)發(fā)電機(jī)。您可為其他48V系統(tǒng)使用類(lèi)似的隔離架構(gòu)，如DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)、加熱器和空氣壓縮機(jī)。

圖3.這款48V啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(shù)。從CAN的角度來(lái)看，低環(huán)路延遲和偏移使用CAN靈活數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。隔離提供對(duì)傳導(dǎo)和輻射干擾的免疫力。冗余或強(qiáng)化隔離將在故障條件下提供額外的保護(hù)余量。

當(dāng)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(qū)動(dòng)器(也如圖3所示)可產(chǎn)生隔離電源VISO_HV(在10到15V的范圍內(nèi))，為金屬氧化物供電半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)柵極驅(qū)動(dòng)器，并可產(chǎn)生較低 VISO(3.3至5V范圍內(nèi))，為單片機(jī)和隔離CAN器件的數(shù)字側(cè)供電。

推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用兩個(gè)低側(cè)開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)在交替的時(shí)鐘相位中導(dǎo)通，以便在中心分接隔離變壓器上連續(xù)傳輸功率。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用前饋調(diào)節(jié)，輸出電壓純粹通過(guò)變壓器比率控制。與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，連續(xù)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(duì)稱驅(qū)動(dòng)器還可防止變壓器飽和，從而形成緊湊的變壓器。

在12V側(cè)，非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器或降壓器可產(chǎn)生5V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(zhuǎn)換器的輸入電壓。使用前置降壓使系統(tǒng)對(duì)12V電池電源的變化不敏感，這種變化可能是由負(fù)載變化引起的。此外，在較低輸入電壓(5V vs. 12V)下操作會(huì)導(dǎo)致變壓器變小。

結(jié)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48V系統(tǒng)中接地?cái)嚅_(kāi)或故障時(shí)保護(hù)12V系統(tǒng)。在HEV中使用48V電源的系統(tǒng)的示例包括啟動(dòng)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)渦輪增壓器、電動(dòng)泵、空調(diào)、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(jié)合，可提供用于隔離48V系統(tǒng)的緊湊、高效、穩(wěn)健且低噪聲的技術(shù)。