數(shù)字光電耦合器為汽車應用 提供低功耗和高隔離

 摘要

與傳統(tǒng)的光電耦合器相比，Avago 的新款 ACE Q100 級光電耦合器，即 ACPL-K4xT / ACPL-K7xT 系列，具有明顯較低的LED 驅(qū)動電流，從而減少了系統(tǒng)的功耗。此外，獨特的擴展型表面貼裝套件還減少了光耦的引腳和體積，同時加大了絕緣間隙和爬電距離，從而提高了額定絕緣電壓。ACPL-K4xT//K7xT 系列的數(shù)字光電耦合器可廣泛應用于 IPM驅(qū)動器、CAN 總線接口和 HEV、PHEV 和 EV 系統(tǒng)內(nèi)離散的數(shù)字信號隔離方面。

簡介

由于汽車系統(tǒng)采用的電子和電氣元件數(shù)量日益增多，使系統(tǒng)變得更容易受到瞬變電路和短路影響，因此必須采取額外的保護以防止損害關鍵的系統(tǒng)。 這在一臺電動馬達驅(qū)動混合動力汽車或全電動汽車時就顯得尤其重要。在這種情況下，高達幾百伏的高電壓就可能會被引入到動力系統(tǒng)中。此外，除了高壓功率轉(zhuǎn)換之外，像 CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)絡之類的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)也必須加以保護，以使高電壓無法饋穿 ECU(發(fā)動機控制單元)、BMS(電池管理系統(tǒng))、溫控系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)。文中附有一些接口電路示例圖，說明了光電耦合器如何應用于這些領域的原理。

可靠性高

歷經(jīng) 35 年以上的改進，LED 以精湛的制造工藝鑄就深厚優(yōu)勢。 Avago 利用這一經(jīng)驗為許多市場提供了可靠性高的 LED 光電耦合器，廣泛應用于工業(yè)、軍事和太空等領域。可靠性的關鍵之處在于 Avago 為實現(xiàn)汽車 ACE Q100級性能而開發(fā)的 LED 加工技術。

Avago 光電耦合器在溫度為 150°C 和 LED 驅(qū)動電流為 20mA 的條件下通過了應力測試。電流傳輸比 (CTR) 的參數(shù)與 LED 的光輸出量成正比。CTR-時間圖，如圖 1[1] 所示，可用來間接測量 LED 在整個生命周期內(nèi)的退化率。正如圖中所示，應力測試 5000 小時后幾乎沒有退化?；谶@一測量即可預測推斷，其汽車應用中的工作壽命將長達100 多年。

表 1. 低 LED 驅(qū)動電流

圖 1. LED 在 150°C 下經(jīng)過 5000 小時應力測試的高性能

低功耗

相對于具有競爭力的光耦合器，Avago 數(shù)字光電耦合器除了延長工作壽命之外，還顯著降低了 LED 驅(qū)動電流(參見表 1)。例如，1Mbps(不歸零編碼)功能型 ACPL-K43T / ACPL-K44T 系列光電耦合器[2] 具有三種典型的額定驅(qū)動電流：0.8mA、1.5mA 和 10mA 配置。此外，Avago 的高速 CMOS 光電耦合器系列 ACPL-K72T/75T 僅需 4mA 驅(qū)動電平。這種相對較低的電平有利于系統(tǒng)設計，因為無需額外的電流緩沖器通過微控制器的輸出引腳來直接驅(qū)動LED。

讓我們用ACPL-K43T 作為示例來探究一下真正的功耗。確定功耗的系統(tǒng)狀況如下：50% 占空比 (DC) 時輸入 LED電流為 1.5mA，輸出上拉電阻 10kW，輸出電源電壓為 5V：

備注：Pi = 輸入功率，Po = 輸出功率，IF = LED 正向電流，VF = LED 正向電壓，ICCL = 輸出低電流，ICCH = 輸出高電流， VCC= 輸出供電電壓。

通過上拉電阻消耗額外的功率：

擴展的絕緣電壓

圖 2. 擴展型 SO-8 封裝

電氣安全隔離是全球各大監(jiān)管機構對于高壓系統(tǒng)的要求。光電耦合器不僅是傳輸控制信號的關鍵性隔離元件，而且還提供低壓電路與高壓設備之間的高度隔離。光電耦合器必須符合 IEC 60747-5-5、DIN/EN 60747-5-2 和 UL 1577等通用半導體元件的電氣安全標準。適當?shù)墓怆婑詈掀骺砂丛O備安全要求進行選擇。

工作電壓、安裝類別和絕緣等級均為選擇光電耦合器所需的一些關鍵的額定設備安全參數(shù)。依據(jù)工業(yè)、家庭、辦公和 IT 設備的安全標準，AC 線路電壓供電的電氣設備通常需要加強的絕緣等級。除了額定絕緣電壓之外，某些設備安全標準還專門納入外部間隙、爬電距離和絕緣距離(DTI，也簡稱為內(nèi)部間隙)以及相對漏電起痕指數(shù)(CTI) 等基本絕緣參數(shù)。表 2 示有采用 SO-5 和擴展型 SO-8 封裝的 Avago 數(shù)字光電耦合器絕緣參數(shù)，而圖 2 則標明了擴展型 SO-8 套件物理方面的參數(shù)。

表 2. 光耦絕緣參數(shù)

SSO-8 套件能將外部爬電距離和電氣間隙增至 8 毫米以上，并具有高達 1140VPEAK 的最大工作絕緣電壓 。 為了實現(xiàn)較高的電池組電壓和變頻器總線電壓運行，SSO-8 套件可提供更多的絕緣空間。例如，設備安全標準 IEC 60950 [3]，《絕緣技術設備(包括電子商務設備)的安全》提出了有關爬電距離和電氣間隙的要求。表 3 中的參考數(shù)據(jù)表明在 2 級污染、IIIa 族材料(針對 ACPL-K43T 光電耦合器)和 II 類安裝的情況下，200Vdc 和 400Vdc 的工作電壓要求不同的間隙和爬電距離。因此，像 ACPL-M43T 這樣的一個光電耦合器非常適合于 200V 電池系統(tǒng)，而 ACPL-K44T則適合于 400V 電池系統(tǒng)。

表 3. 絕緣間隙和爬電距離的 IEC 60950 標準

在一輛傳統(tǒng)汽油發(fā)動機車內(nèi)，低電壓 (12V) 電池利用底盤作為其地線，這意味著電流通路實際上是通過車身傳輸?shù)?。在電動車中，通常有兩種電壓系統(tǒng)：高電壓和低電壓。 EV 中的高壓電池及其相連的設備是一個浮載系統(tǒng)，完全電氣隔離于底盤和低壓系統(tǒng)之外。事實上，像電機變頻器和電池充電器等一些設備在檢測到漏電流超過對底盤預設的閾值水平時就會停止工作。通信總線(如 CAN 總線)將一個信號從低壓系統(tǒng)供電的控制器傳輸至各種高壓設備。每個模塊的主要接口點如圖 3 所示，光電耦合器在各點被用來提供隔離邊界，以確保沒有漏電流匯集到底盤。 光電耦合器主要應用于電動車內(nèi)的 IPM 驅(qū)動逆變器、CAN 總線隔離和 SPI 隔離這三大方面。[!--empirenews.page--]

圖 3. EV/HEV 中的電氣系統(tǒng)

IPM 驅(qū)動逆變器

電動車內(nèi)的逆變器能轉(zhuǎn)換 DC 電池電壓，以使電池能驅(qū)動 AC 異步電機或 DC 無刷電機。IGBT(絕緣門雙極晶體管)是常見的功率轉(zhuǎn)換設備，而 IPM(智能集成功率模塊)[4] 混合動力模塊則在一個緊湊的封裝結構內(nèi)同時對IGBT 和門驅(qū)動電路提供功率。大多數(shù) IPM，像 Fuji Electric(富士電機)的 Econo 7MBP150TEA060，還融合了過溫檢測、過流檢測和反饋故障報警到微控制器的欠壓保護功能。圖 4 所示是一個典型的逆變器系統(tǒng)。

圖 4. 光電耦合器在變頻器的 MCU 和 IPM 之間提供隔離(示有 IPM 與 MCU 之間的 U 相明細，V 相 和 W 相的連接端則不顯示)。

在這一系統(tǒng)圖解中，隔離電路處于 MCU 和 IPM 之間。六個 ACPL- K43T 數(shù)字光電耦合器能隔離 IPM 的六個門驅(qū)動器輸入端(上下三個 IGBT 用于三個電源相位)。為了減少該圖的復雜性，僅對 U 相顯示光電耦合器;V 相和W 相則需要更多的光電耦合器。四個 ACPL-K49T [5] 光電耦合器隔離 IPM 合成的故障反饋信號(三個用于各上相，一個用于下相)。

電源分布如圖 4 右側部分所示。 光電耦合器的 5V 電源是直接由 12V 電池通過穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換而成的;Vcc_15V 電源則由一個隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，為所有低通道電路供電;三個附加的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能輸出 15V VccU/VccV/VccW，且彼此均處于浮載狀態(tài)并單獨為上通道電路供電。

CAN 總線隔離

車內(nèi) CAN 總線網(wǎng)絡連接著主機控制 ECU 和局域子系統(tǒng)，例如溫控器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、牽引逆變器、油/液壓泵和其他子系統(tǒng)。

圖 5 所示的光電耦合器在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)高壓的局域設備和低壓 CAN 總線之間提供電氣隔離邊界。這將確保穩(wěn)定運行、消除電氣噪聲和防止子系統(tǒng)之間的干擾。

圖 5. 光電耦合器在局域設備 MCU (微控制器)與 CAN 總線收發(fā)器之間提供隔離

一個 CAN 收發(fā)器子系統(tǒng)的示例顯示了接口連接端如何配置為 NXPTJA1041 CAN 控制器的原理(圖 5)。兩個ACPL-K72T 光電耦合器能發(fā)送和接收 MCU 和 TJA1041 之間的數(shù)據(jù)。由于 -40°C 至 125°C 工作溫度范圍內(nèi)的最大傳播延遲時間達 100ns，因此 ACPL-K72T 具有廣泛的性能范圍，包括汽車應用中所有的 125kbps、250kbps 和500kbps 3 級高速 CAN 數(shù)據(jù)傳輸速率[6]。三個低速 ACPL-K49T 光電耦合器分別為 STB、EN 和 ERR 的收發(fā)器引腳傳輸指令、狀態(tài)或反饋信號。低壓電池通過一個穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)化成 5V 電源對收發(fā)器供電，而一個隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器則對 MCU 提供 5V 電源。

SPI 隔離

串行外設接口總線 (SPI) 通常適用于處理器及其外圍芯片之間，如汽車電池組電芯的電壓監(jiān)測系統(tǒng)。汽車的高壓電池由多層電芯堆疊而成，而電芯數(shù)量多達一百多片。為了平衡充電期間的電池組電芯的電壓或監(jiān)控電池組驅(qū)動電機輸電時的電芯能量，每個電芯的電壓需要逐個測量，待模擬電壓采集后，測量模塊內(nèi)的 ADC 會將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)并通過 SPI 總線傳輸給作為主設備的 BMS MCU。

圖 6. 光電耦合器隔離 SPI 總線信號

如圖 6 所示，典型的 4 線 SPI 接口包括時鐘、數(shù)據(jù)輸入/輸出和芯片選擇通道。三個高速 ACPL-K72T 光電耦合器接口數(shù)據(jù)輸入/輸出信號和時鐘頻率高達 2MHz，一個低速 ACPL-K49T 將芯片選擇狀態(tài)從主/MCU 傳輸?shù)綇脑O備/ADC。一個隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器對被控實線電路提供 5V 電源。 隔離邊界為低電壓電路至高電壓電池組提供絕緣，并能防止因電池電壓波動而引起的噪音干擾。