北京(jing)2019年(nian)6月18日 /美通社/ -- 近(jin)日，德州儀(yi)器(qi)的Anant Kamath發表了《簡化HEV 48V系統的隔離CAN、電(dian)源接(jie)口》的技術文章，全(quan)文如下(xia)：

48V汽車應用中(zhong)對隔離的(de)需求持續增(zeng)長。這是一(yi)種緊(jin)湊、高效、穩健、低噪聲的(de)方法(fa)，可通過CAN接口隔離48V系統(tong)。

為今天的汽(qi)車設(she)計是一(yi)種平衡行為。在滿(man)足日益嚴(yan)格的排放標(biao)準(zhun)和為越(yue)來越(yue)多的車載系統(tong)和小工具(ju)提供動力之(zhi)間，需為當今的車輛提供高功率(lv)，以獲得高效率(lv)。

為(wei)實(shi)現效率和功率的(de)融合(he)(he)，工(gong)程師更加依賴(lai)于將48V電力運行與(yu)傳(chuan)統燃氣發動機相結合(he)(he)的(de)系統，如混合(he)(he)動力電動汽車(che)（HEV）。這種方(fang)法可確(que)保車(che)輛滿足嚴格的(de)二氧(yang)化碳（CO2）排放(fang)標準，同時還可改進性能和驅動質量。

雖然關于(yu)本身(shen)已(yi)有很多(duo)說法(fa)，但本文關注的是(shi)這些組合式12和48V系統(tong)中的一個關鍵且(qie)有時被忽(hu)視(shi)的組件：電(dian)流隔(ge)離(li)。電(dian)流隔(ge)離(li)用(yong)于(yu)抵抗接地(di)噪聲，并(bing)在與(yu)其連(lian)接的48 V系統(tong)中接地(di)斷開(kai)或(huo)故障時保護(hu)12V系統(tong)。

本文將(jiang)討論48V汽車應用中隔(ge)離的需求，并(bing)描述一種緊湊、高效、穩健和低噪(zao)聲的方(fang)法，通過控制區域網(wang)絡（CAN）接口隔(ge)離48V系(xi)統。

使用48V電池的車輛電流隔離的必要性

即使在使用48V電(dian)(dian)池(chi)(chi)（通常為(wei)鋰離子電(dian)(dian)池(chi)(chi)）的車輛中(zhong)，傳(chuan)統(tong)的12V鉛(qian)酸電(dian)(dian)池(chi)(chi)仍(reng)可為(wei)控制電(dian)(dian)子設備(bei)和低功率(lv)設備(bei)供(gong)(gong)電(dian)(dian)。在這兩(liang)個(ge)耗(hao)材上(shang)運行的系(xi)(xi)統(tong)需要(yao)彼此(ci)通信。例如(ru)，48V起動發電(dian)(dian)機由引擎控制器控制，使用12V電(dian)(dian)池(chi)(chi)供(gong)(gong)電(dian)(dian)。兩(liang)個(ge)系(xi)(xi)統(tong)的接(jie)地(di)連接(jie)到汽車底盤。盡管從理(li)論上(shang)講(jiang)，兩(liang)個(ge)系(xi)(xi)統(tong)可直接(jie)相互連接(jie)（圖1a），但由于以下原因，電(dian)(dian)流隔離（圖1b）幾乎始終有必要(yao)：

瞬態地電(dian)(dian)位差：12V系統(tong)(tong)的接(jie)地使用螺栓直接(jie)連接(jie)到汽車底盤。48V模塊的接(jie)地使用幾英(ying)尺長的電(dian)(dian)纜連接(jie)到汽車底盤。48V系統(tong)(tong)（如啟動(dong)發(fa)電(dian)(dian)機或交流壓縮機）中存在的大(da)量開關電(dian)(dian)流，結(jie)合(he)接(jie)地電(dian)(dian)纜的電(dian)(dian)感特性，可(ke)能(neng)會(hui)導致瞬間接(jie)地噪聲，很(hen)容易損壞低(di)壓3.3V或5V通信(xin)信(xin)號。電(dian)(dian)流隔(ge)離對于(yu)確保可(ke)靠的數據(ju)傳輸是(shi)必要(yao)的。

48V側的(de)接地斷開(kai)：有時在故障條件下或維(wei)護(hu)期間，圖1a中(zhong)的(de)GND_48V可能會與底盤斷開(kai)連(lian)接。模塊的(de)48V電(dian)源，轉而連(lian)接到(dao)48V電(dian)池，可能仍然完好無(wu)損。在這種情況(kuang)下，48 V系(xi)統(tong)的(de)所有內部節點（包(bao)括12V系(xi)統(tong)的(de)接口(kou)）都(dou)可浮動到(dao)48V。這對12V系(xi)統(tong)造成(cheng)(cheng)危險(xian)，因(yin)為(wei)它的(de)輸入、輸出端口(kou)可能不是設計(ji)用于處理48V。在圖1b中(zhong)，相同的(de)故障條件不會對12V系(xi)統(tong)造成(cheng)(cheng)壓力。48 出現在電(dian)流隔壘上，通常額定(ding)電(dian)壓高得多（如2.5 kV）。

短(duan)路情況：在(zai)圖1a中，48V系(xi)統內部的(de)(de)任何(he)短(duan)路都可(ke)能(neng)導致在(zai)與(yu)12V系(xi)統的(de)(de)接口處出現48V電壓。這種潛在(zai)危(wei)險(xian)可(ke)能(neng)危(wei)及多個(ge)在(zai)12V電源上運行的(de)(de)電路，包括對車輛安全運行至關重(zhong)要的(de)(de)電路。電流(liu)隔離有助于確保48V系(xi)統上的(de)(de)任何(he)短(duan)路不會傳播到(dao)車輛的(de)(de)12V側(ce)。

使用CAN接口隔離48V系統

可(ke)通(tong)過多種方式(shi)實現(xian)電(dian)流隔(ge)離(li)，并在(zai)系統內的不同位置繪制(zhi)隔(ge)離(li)邊界。圖(tu)2所(suo)示為一種在(zai)CAN接口實現(xian)隔(ge)離(li)的通(tong)用方法。在(zai)CAN接口與系統中的其他地方隔(ge)離(li)具有使用最少(shao)數量的隔(ge)離(li)通(tong)道的優點 -- 僅需兩個隔(ge)離(li)通(tong)道即(ji)可(ke)。這降低了(le)成(cheng)本和電(dian)路板空間。

隔(ge)離式DC-DC轉換器(qi)可提(ti)供隔(ge)離電(dian)(dian)源(yuan)VISO，為48V系統的某些(xie)部分供電(dian)(dian)。即(ji)使48V電(dian)(dian)池(chi)完(wan)全放電(dian)(dian)，VISO也可確保數(shu)字隔(ge)離器(qi)和48V系統的關(guan)鍵部件具有可用于(yu)操作的電(dian)(dian)源(yuan)。若(ruo)GND_48V斷開，VISO也可用于(yu)將48V側置于(yu)安全狀態。

現已(yi)推出新型集成隔(ge)(ge)離式CAN收發(fa)(fa)器(qi)(qi)和隔(ge)(ge)離式DC-DC電(dian)源控(kong)制器(qi)(qi)現，有(you)助于簡化48V系(xi)統(tong)中的隔(ge)(ge)離式CAN接口。圖3所(suo)示為一個(ge)示例48V起動發(fa)(fa)電(dian)機。您(nin)可(ke)為其他48V系(xi)統(tong)使用類似的隔(ge)(ge)離架構(gou)，如DC-DC轉換器(qi)(qi)、電(dian)池(chi)管理系(xi)統(tong)、加熱器(qi)(qi)和空氣壓縮機。

單片集(ji)成隔離(li)式CAN收發(fa)器(qi)(qi)，如(ru)德州儀器(qi)(qi)（TI）（圖3），將高(gao)壓電流隔離(li)與高(gao)性(xing)能(neng)CAN收發(fa)器(qi)(qi)集(ji)成，有(you)助于減少電路板(ban)面(mian)積，同時改進時序參數(shu)。從CAN的角度來看，低環路延遲和偏移(yi)使用CAN靈活(huo)數(shu)據(ju)速(su)率實現高(gao)速(su)數(shu)據(ju)通(tong)信。隔離(li)提供對傳導和輻射干擾的免疫力。冗余或強(qiang)化隔離(li)將在故障條件下提供額外的保護余量。

當與外部變壓(ya)器(qi)一起使用時，德州儀器(qi)的SN6505-Q1等推挽變壓(ya)器(qi)驅動器(qi)（也如圖3所(suo)示(shi)）可(ke)產生隔離(li)電(dian)源VISO_HV（在10到15V的范(fan)圍內），為金屬氧化物(wu)供電(dian)半導體場效(xiao)應晶體管（MOSFET）柵(zha)極驅動器(qi)，并(bing)可(ke)產生較低VISO（3.3至5V范(fan)圍內），為單片(pian)機和隔離(li)CAN器(qi)件的數字側供電(dian)。

推挽式拓(tuo)撲(pu)(pu)結構使(shi)用兩個(ge)低側(ce)開(kai)關。這些開(kai)關在交替的時(shi)鐘相位中導通(tong)，以便在中心分接隔(ge)離變(bian)(bian)壓器上連續傳輸(shu)功(gong)率(lv)。拓(tuo)撲(pu)(pu)結構采用前饋調節，輸(shu)出電(dian)壓純粹(cui)通(tong)過變(bian)(bian)壓器比率(lv)控(kong)制。與其(qi)他拓(tuo)撲(pu)(pu)結構相比，連續功(gong)率(lv)傳輸(shu)可(ke)產生更低的峰值電(dian)流，從而降低排放(fang)并提高(gao)效率(lv)。對稱驅動(dong)器還(huan)可(ke)防止變(bian)(bian)壓器飽和，從而形成緊湊的變(bian)(bian)壓器。

在(zai)12V側，非隔(ge)離式DC-DC轉換(huan)器或降(jiang)壓(ya)器可(ke)產生5 V電(dian)源，為(wei)CAN收發(fa)器供電(dian)，同時也可(ke)作為(wei)推(tui)挽式隔(ge)離式DC-DC轉換(huan)器的(de)輸入(ru)電(dian)壓(ya)。使用前置降(jiang)壓(ya)使系(xi)統(tong)對12 V電(dian)池電(dian)源的(de)變(bian)化不敏感，這種變(bian)化可(ke)能是由負載變(bian)化引起(qi)的(de)。此外，在(zai)較(jiao)低輸入(ru)電(dian)壓(ya)（5V vs.12V）下操作會導致(zhi)變(bian)壓(ya)器變(bian)小(xiao)。

結論

電(dian)(dian)流(liu)隔(ge)(ge)離(li)是(shi)使用48V電(dian)(dian)池供(gong)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)汽車中(zhong)極(ji)其(qi)重要的(de)(de)(de)考慮因(yin)素。隔(ge)(ge)離(li)用于(yu)抵抗(kang)接(jie)地噪(zao)聲，并在(zai)與其(qi)連接(jie)的(de)(de)(de)48V系統中(zhong)接(jie)地斷開或故障(zhang)時保護12V系統。在(zai)HEV中(zhong)使用48V電(dian)(dian)源的(de)(de)(de)系統的(de)(de)(de)示例包括起動器(qi) - 發電(dian)(dian)機、電(dian)(dian)動渦輪增壓器(qi)、電(dian)(dian)動泵、空調(diao)、加熱(re)器(qi)、電(dian)(dian)動懸架和駕駛員輔(fu)助。集成隔(ge)(ge)離(li)式(shi)CAN收發器(qi)與基于(yu)推挽式(shi)隔(ge)(ge)離(li)式(shi)DC-DC電(dian)(dian)源相結合，可提供(gong)用于(yu)隔(ge)(ge)離(li)48V系統的(de)(de)(de)緊湊、高效、穩健(jian)且(qie)低噪(zao)聲的(de)(de)(de)技術。