電動汽車逐漸成為近年來的一個熱門話題。這種“綠色”汽車依靠串聯(lián)電池組來獲得足夠高的電壓，從而有效驅(qū)動電機。全電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)均采用這種高壓(HV)電池組。HEV依靠內(nèi)燃機(ICE)充電，而且在許多情況下，內(nèi)燃機也會提供動力。EV則必須插入電源中充電，有些新型混合動力設(shè)計稱為“插電式混合動力汽車”(PHEV)，它基本上可視為一種EV，但配有內(nèi)燃機以延長行駛里程。
高壓電池組已廣泛用于許多工業(yè)和交通運輸業(yè)以外的領(lǐng)域，通常可用作：以直流形式儲存輸電網(wǎng)電能的不間斷電源(UPS);48-V通信設(shè)備中的應(yīng)急直流電源;起重機和電梯系統(tǒng)中的應(yīng)急電源;以及緊急情況下驅(qū)動風(fēng)力渦輪機的葉片。雖然本文討論汽車中電池組的使用，但一些根本問題在所有類型電池組中都會存在。
交通運輸應(yīng)用中的電池組一般含有100塊甚至更多的電池，可提供數(shù)百伏電壓。一般公認(rèn)50 V或60 V以上的電壓可以致命，而可能導(dǎo)致電子設(shè)備損壞的電壓則更低(考慮利用某些類型電化學(xué)反應(yīng)的電池穩(wěn)定性)，因此安全問題至關(guān)重要。雖然這些電池組本身具有危險性，但仍然必須與電池殼內(nèi)的電池監(jiān)控" title="電池監(jiān)控">電池監(jiān)控電子設(shè)備通信。因此，通信方式必須安全可靠。
高壓電池組中的電池結(jié)構(gòu)
原始設(shè)備制造商一般要求將電池裝到保護(hù)殼中，稱為“電池包”，通常含有6到24塊串聯(lián)電池。含有較多電池的電池包體積更大，也不易放入典型的汽車空間中。相關(guān)的電池監(jiān)控集成電路靠近受監(jiān)控的電池，并由電池本身供電。是否有必要監(jiān)控各電池的電壓，取決于電池的化學(xué)原理。例如，我們非常了解基于鎳氫(NiMH)化學(xué)原理的高壓電池組性能，因此一般無需測量各電池電壓，只需測量特定電池包內(nèi)所有電池的總電壓即可。而基于鋰離子(Li-Ion)化學(xué)原理的電池組，則必需監(jiān)控各電池的電壓，以便檢測電池串中的任一電池有無發(fā)生過壓或欠壓情況。一般不必測量各鋰離子電池的溫度，但應(yīng)提供相關(guān)測量功能。因此，鎳氫電池組的監(jiān)控電子設(shè)備比鋰離子電池組的監(jiān)控電子設(shè)備簡單得多。圖1顯示一種構(gòu)建和監(jiān)控高壓電池組的常用方法。
電池監(jiān)控器IC通常處理6塊或12塊電池。目前，ADI公司提供兩種專用特殊用途(ASSP)產(chǎn)品用于電池監(jiān)控：AD7280基于高速多路復(fù)用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要用作主監(jiān)控器;另一種器件基于一系列窗口比較器，用作備用或冗余監(jiān)控器。本文不會深入討論這些產(chǎn)品，但仍需說明這些器件在電池組配置中如何通信。每個電池為上方電池的測量輸入確立共模電平。菊花鏈接口允許電池組的各AD7280直接與其上或其下的AD7280通信(從而沿著堆疊上下傳遞數(shù)字信息)，而無需隔離。最底部AD7280的SPI接口用來與系統(tǒng)微控制器" title="微控制器">微控制器交換整個電池組的數(shù)據(jù)和控制信號。此處必須采用高壓電流隔離，以保護(hù)系統(tǒng)中的其它低壓電子器件。
圖1. 電池組中的串聯(lián)電池監(jiān)控和隔離
圖1中，串聯(lián)電池串的中間有一個開關(guān)或接觸器。一般情況下，無論汽車正常行駛還是停車，該開關(guān)始終閉合。車輛維修時或緊急情況下，需將該開關(guān)拉開或離開所在位置，禁止電池組端電極出現(xiàn)電池組電壓。為了不影響開關(guān)斷開所提供的隔離性能，必須確保沒有任何電子器件橋接開關(guān)端子。因此，開關(guān)斷開時，電池組的上半部分應(yīng)與下半部分應(yīng)保持電氣隔離。這意味著，電池組上半部分的電池數(shù)據(jù)必須通過其最底部的電池監(jiān)控器通信，跨過隔離柵，傳輸至管理整個電池組數(shù)據(jù)流入流出的微處理器或微控制器。類似地，電池組下半部分也必須與此微處理器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。
除電池監(jiān)控器外，電池組中還有一個電流監(jiān)控器，用來測量并報告電池組的電流。該監(jiān)控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離。霍爾效應(yīng)電流傳感器本身具有電流隔離功能，無需再配置隔離電路。不過，如果該電流傳感器采用分流元件，則相關(guān)的分流監(jiān)控電路需要單獨的隔離柵。使用分流方法檢測電流越來越受歡迎，它比霍爾效應(yīng)檢測更穩(wěn)定、更精確，而且價格也更有競爭力。使用低值分流電阻和低成本、高分辨率監(jiān)控電子器件(例如通過AEC-Q100" title="AEC-Q100">AEC-Q100認(rèn)證的AD820x和AD821x系列分流監(jiān)控器，至今針對汽車插座的出貨量已超過1億片)，可以將自發(fā)熱降至極小，使這種方法的傳統(tǒng)弊端不復(fù)存在。因此，除非電流檢測監(jiān)控器能夠接入最底部的電池監(jiān)控器，共用其隔離柵，否則圖1中的系統(tǒng)需要三個獨立的隔離柵。
另一種頗受歡迎的構(gòu)建電池組方法是將電池包分為一系列電氣獨立的電池群組(圖2)。每個電池群組最底部的監(jiān)控器跨過專用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器。
圖2. 并行接入電池包的電池組
這種方法會使用更多的數(shù)字隔離器" title="數(shù)字隔離器">數(shù)字隔離器，因此成本比圖1所示系統(tǒng)更高，但它可以同時要求所有電池群組報告電池組內(nèi)電池監(jiān)控器所監(jiān)測到的信息，從而能在更短的時間內(nèi)回讀所有電池數(shù)據(jù)。另一個好處是，當(dāng)菊花鏈發(fā)生問題時，如斷線或連接器接觸不良等，備用監(jiān)控器可以繼續(xù)監(jiān)控。將剩余電池包電壓與總電池組電壓進(jìn)行相關(guān)分析，仍然可以確定停止工作電池包的數(shù)據(jù)。
這種方法的確需要更多電纜，由于高達(dá)75%的電磁兼容性(EMC)問題與輸入/輸出(I/O" title="I/O">I/O)端口有關(guān)，因此這可能會引發(fā)問題。I/O端口是一種開放式通路，供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進(jìn)入一臺設(shè)備，以及供干擾信號逃逸——通過傳導(dǎo)I/O線路上的雜散信號，或者通過I/O電纜的輻射。電池組電纜較多的話，若不特別注意信號的穩(wěn)定性以及所選的通信協(xié)議，其EMC性能會大幅下降。因此，與端口相連的I/O設(shè)備的EMC性能對于整臺設(shè)備的EMC性能至關(guān)重要。
頗受歡迎的SPI通信協(xié)議適合同一印刷電路板(PCB)上的器件之間通信，但單端信號可能難以經(jīng)由24至36英寸電線實現(xiàn)可靠傳輸，尤其在高噪聲環(huán)境中。如果數(shù)字信號要在板外傳輸，則謹(jǐn)慎起見，系統(tǒng)設(shè)計中可能需使用差分收發(fā)器，例如ADM485。這些收發(fā)器可以采用低端電源供電，無需直接耗用電池組中的電池電源。
隔離技術(shù)是電池組通信的關(guān)鍵
為了提高電池組電壓，以便滿足重型私家車以及輕型卡車、貨車的更高功率電機需求，必須增加電池組中的電池數(shù)量。除了增加串聯(lián)電池數(shù)量之外，現(xiàn)在的許多電池包還含有并聯(lián)電池串，目的是提高整個電池包的安培小時(AH)容量。必須監(jiān)控各并聯(lián)電池串，因而需要收集大量數(shù)據(jù)。與所有這些電池相關(guān)的電池監(jiān)控器數(shù)據(jù)，必須在系統(tǒng)集成商設(shè)定的系統(tǒng)環(huán)路時間要求范圍內(nèi)，可靠地回傳給電池測量系統(tǒng)(BMS)微控制器。
因此，跨越系統(tǒng)間邊界提供可靠數(shù)據(jù)通信的難度也隨之增加。獲得汽車應(yīng)用認(rèn)證的隔離技術(shù)，正是跨越典型電池組內(nèi)如此眾多的隔離邊界實現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵因素，ADI公司就能夠提供這種技術(shù)。該技術(shù)的基礎(chǔ)是“磁隔離”，變壓器則采用高性價比標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝以平面方式制造(參見圖3)。這有利于將多個隔離通道集成到單個器件中，或者將隔離通道與其它半導(dǎo)體功能，如線路驅(qū)動器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等(例如隔離Σ-Δ調(diào)制器AD7400)集成于一體。
圖3. 四通道隔離器ADuM1402功能框圖
不像光耦合器，這些iCoupler®數(shù)字隔離器的性能在汽車整個使用期限內(nèi)都不會下降，可以適應(yīng)因季節(jié)變化經(jīng)常會遇到的惡劣工作條件。表1所列為最近發(fā)布的系列器件，這些器件已通過AEC-Q100認(rèn)證，工作溫度最高可達(dá)125°C，所用材料與ADI公司iCoupler系列產(chǎn)品中廣泛認(rèn)可的對應(yīng)器件相同，至今該系列出貨量已超過3億片。表中雙通道、3通道和4通道數(shù)字隔離器系列的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)25 Mbps，傳播延遲低至32 ns。
平面變壓器本身是雙向的，因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數(shù)范圍內(nèi)，驅(qū)動通道和接收通道可以任意組合使用。例如，雙通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或一起可提供7種不同的通道配置(4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1)，確保所有情形下都能采用最佳解決方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。
圖4. ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置
iCoupler技術(shù)有兩個突出特點：支持高數(shù)據(jù)速率，以及可以采用低電源電流工作。iCoupler通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數(shù)據(jù)速率。采用3V電源工作、數(shù)據(jù)速率最高為2 Mbps時，ADuM140xWS兩端及所有四個通道的總電源電流典型值為1.6 mA(最大值4 mA)。因為在ADuM140xWS的隔離端或“熱”端，電源來自電池本身(通過一個穩(wěn)壓器)，所以低功耗十分重要。監(jiān)控器也采用同一電壓源供電，因此，監(jiān)控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產(chǎn)品均提供小尺寸、薄型、表貼8引腳SOIC_W或16引腳SOIC_W封裝，并且已通過UL、CSA和VDE安全認(rèn)證。隔離額定值最高可達(dá)2.5 kV(有效值)，工作電壓最高可達(dá)400 V(有效值)。
iCoupler技術(shù)孕育出isoPower集成式隔離電源
iCoupler技術(shù)最激動人心的一項成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中。現(xiàn)在，利用與信號隔離所用的微變壓器相似的技術(shù)，可以跨越隔離柵輸送電源，從而為電池組中的數(shù)據(jù)隔離器提供完全集成的遠(yuǎn)程供電解決方案。本地電源供給振蕩電路，它通過一個芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在3.3 V或5 V。隔離端控制器通過產(chǎn)生一個PWM控制信號，對輸出進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，該控制信號經(jīng)由一個專用iCoupler數(shù)據(jù)通道送回本地端。PWM控制信號調(diào)制振蕩器電路，以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以明顯提高功率和功效比。
ADuM540xW 是4通道數(shù)字隔離器，內(nèi)置isoPower®集成式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器;輸入電源為5.0 V或3.3 V時，可提供最高500 mW的穩(wěn)壓隔離功率。與標(biāo)準(zhǔn)iCoupler器件一樣，它可提供多種不同的通道配置和數(shù)據(jù)速率。由于isoPower器件利用高頻開關(guān)元件通過其變壓器輸電，因此進(jìn)行PCB布局時必須特別小心，確保符合電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)電路板布局考量因素的詳細(xì)信息，請參考應(yīng)用筆記AN-0971 ：“isoPower器件的輻射控制建議”。ADuM540x系列目前正在進(jìn)行AEC-Q100認(rèn)證。