東芝車規(guī)級(jí)光耦設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)一直是汽車安全中比較敏感的單元，很多常見(jiàn)小問(wèn)題均因電氣系統(tǒng)的可靠性不能滿足而產(chǎn)生。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，由于涵蓋了更多的功能單位，包括牽引逆變器、溫度控制和加熱系統(tǒng)以及車載充電器，這些系統(tǒng)在完全不同的電壓水平下運(yùn)行，因此必須進(jìn)行電氣隔離(Galvanic isolation)。

從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎飧綦x是通過(guò)光學(xué)技術(shù)借助LED源和光電二極管接收器實(shí)現(xiàn)的。但是，在以電動(dòng)汽車為代表的汽車市場(chǎng)需求的刺激下，光耦合器成為了實(shí)現(xiàn)電氣隔離的首選器件。作為使用光媒介從而達(dá)到隔離作用的器件，光耦合器的應(yīng)用極大保障了新能源汽車電氣系統(tǒng)的安全可靠，東芝的車規(guī)級(jí)光耦合器便是其中的佼佼者。

光耦合器作為一種比較常見(jiàn)的隔離控制器件，將發(fā)光元件和光敏元件封裝于同一殼體中確保了不受外界干擾。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào)，通過(guò)電→光→電的傳輸方式實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的平穩(wěn)傳遞，同時(shí)器件的輸入側(cè)與輸出側(cè)完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，具備抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、傳輸效率高等優(yōu)勢(shì)。

目前東芝可以提供種類最全的光耦產(chǎn)品線，涉及范圍包括消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品、工業(yè)、汽車以及光伏等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)汽車電子領(lǐng)域，擁有超過(guò)20年汽車光耦產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的東芝半導(dǎo)體專門推出了TLX系列滿足車載的不同應(yīng)用需求。目前東芝擁有一系列符合AEC Q101標(biāo)準(zhǔn)的光電耦合器產(chǎn)品，被廣泛的應(yīng)用于車載BMS，DC/DC，OBC，EV Inverter等應(yīng)用中。同時(shí)東芝車規(guī)級(jí)光耦也在不斷地提升器件性能，更好地應(yīng)對(duì)新能源汽車在電池容量、小型化以及節(jié)能領(lǐng)域面臨的全新挑戰(zhàn)。

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，車內(nèi)電池組的容量與電池組本身的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度也隨之攀升，這就讓電池組的安全性變得尤為重要。在電動(dòng)汽車的BMS(Battery Management System，電池管理系統(tǒng))中需要多種光耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和監(jiān)控。以東芝的車規(guī)級(jí)光耦產(chǎn)品為例：在一臺(tái)新能源汽車的BMS系統(tǒng)中，TLX9376和TLX9310光耦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?光繼電器(photorelay)——TLX9175J實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的系統(tǒng)控制。上述的幾款東芝產(chǎn)品均采用SO6超薄封裝，工作溫度范圍為-40℃至125℃(TLX9175J除外，其工作溫度為-55℃至105℃)。在傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)車及混動(dòng)車的逆變器控制(EV inverter)及智能功率模塊(intelligent power module，IPM)接口應(yīng)用中，東芝的光電產(chǎn)品能夠極好地滿足車載應(yīng)用的需求。

我們上文中提到的TLX9175J車規(guī)級(jí)光繼電器，其主要應(yīng)用方向不僅包括了電動(dòng)汽車/混合電動(dòng)汽車上的電池管理系統(tǒng)(BMS)，同時(shí)還能夠應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程讀取信息等功能。東芝TLX9175J能夠符合遠(yuǎn)比消費(fèi)級(jí)芯片嚴(yán)格的AEC-Q101測(cè)試要求，憑借超長(zhǎng)的壽命、優(yōu)越的可靠性以及低功耗特性，TLX9175J在以長(zhǎng)城、蔚來(lái)為代表的一眾電動(dòng)汽車廠商的電池管理系統(tǒng)中得以被廣泛應(yīng)用。

東芝光耦的結(jié)構(gòu)特性示意

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式繼電器，光繼電器在多個(gè)方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。首先是繼電器的壽命，同樣以東芝TLX9175J光繼電器為例：該產(chǎn)品通過(guò)光敏二極管陣列接受LED光線，并產(chǎn)生電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET進(jìn)行工作，由于沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)，TLX9175J無(wú)需擔(dān)憂機(jī)械磨損的同時(shí)，也不存在由反電動(dòng)勢(shì)或回跳引起的噪聲，極大地延長(zhǎng)了器件的使用壽命。此外，TLX9175J采用了新的大功率紅外LED MQW結(jié)構(gòu)，在連續(xù)工作10萬(wàn)小時(shí)后，新型LED的輸出光量衰減率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)LED的衰減率。這意味著相比于傳統(tǒng)的光繼電器，采用新型MQW結(jié)構(gòu)的TLX9175J壽命和穩(wěn)定性會(huì)更加優(yōu)越。

在電路尺寸方面，東芝TLX9175J采用4pin SO6封裝，高度僅為2.2mm，超小型的封裝尺寸意味最終產(chǎn)品的高度/厚度減小，能夠提高電路板設(shè)計(jì)靈活性。由于輸入側(cè)的LED是由電流驅(qū)動(dòng)的，東芝TLX9175J輸出端導(dǎo)通所需輸入電流不超過(guò)15mA，因此用戶可以使用MCU的引腳直接驅(qū)動(dòng)光繼電器。相比之下，普通機(jī)械式繼電器所需驅(qū)動(dòng)電流更大。在大部分情況下，用戶需要另外增加一個(gè)晶體管以提高M(jìn)CU的驅(qū)動(dòng)能力。因此，在低功耗場(chǎng)景下，東芝TLX9175J光繼電器更有優(yōu)勢(shì)。

為了促進(jìn)開(kāi)發(fā)工程師們更好地應(yīng)用光繼電器，東芝提供了用于電路仿真的PSpice和LTspice模型，讓開(kāi)發(fā)者們更便捷精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)光繼電器的電路設(shè)計(jì)與仿真。

那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中如何體現(xiàn)上述的技術(shù)優(yōu)勢(shì)呢，我們?yōu)榇蠹液?jiǎn)單的展示使用光繼電器和IC輸出光耦的電動(dòng)汽車電池總電壓監(jiān)測(cè)電路實(shí)例?？梢钥吹剑妷簷z測(cè)電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，通過(guò)光繼電器與光耦的設(shè)計(jì)，將電池與MCU完全隔離開(kāi)的同時(shí)，MCU也能夠進(jìn)行電池總電壓的測(cè)量，在新能源汽車等新興領(lǐng)域能夠得到廣泛應(yīng)用。并且東芝TLX9175J無(wú)噪音、低功耗、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)使得光繼電器能夠在大部分需要進(jìn)行電池電壓監(jiān)測(cè)的環(huán)境中使用。

光繼電器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例圖

為了滿足更加強(qiáng)悍的新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)，東芝規(guī)劃了即將量產(chǎn)的TLX9160T。相較適用于100串電池組的400V及以下場(chǎng)景的TLX9175J，TLX9160T的工作電壓高達(dá)1500V，能夠滿足200串電池組的800-900V的應(yīng)用需求。

東芝在光繼電器領(lǐng)域深耕多年，從前端芯片制造到后端元件安裝，已經(jīng)具備了成熟的流程和完善的體系。東芝憑借優(yōu)秀的創(chuàng)新能力以及對(duì)市場(chǎng)的敏銳嗅覺(jué)，將最新的MOSFET工藝設(shè)計(jì)集成到光繼電器中，開(kāi)發(fā)出上百種高質(zhì)量的光繼電器產(chǎn)品，助力大家在電氣隔離的道路上走得更遠(yuǎn)。