使用0級數(shù)字隔離器解決高溫隔離設(shè)計難題
發(fā)布時間:2020-04-09 來源:Neel Seshan 德州儀器 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】因為汽車工業(yè)繼續(xù)在混合電動汽車(HEV)中采用48V系統(tǒng),車載網(wǎng)絡(luò)對信號隔離的需求變得更加重要。如果對低壓電路沒有進(jìn)行可靠、有效的保護(hù),高電壓的特性和優(yōu)勢就會大大降低。
但是,了解到需要在48V車輛中隔離高壓事件信號只是成功了一半。與純電動汽車(EV)不同,HEV除使用電池系統(tǒng)外,還使用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)(ICE)。ICE產(chǎn)生的高溫通常超過125°C。為了能夠在這樣的環(huán)境中可靠運行,汽車系統(tǒng)及其組成部件必須能夠承受汽車電子協(xié)會(AEC)-Q100“基于封裝集成電路應(yīng)力測試認(rèn)證的故障機(jī)理”中定義的高溫。
AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)概述了設(shè)計用于汽車系統(tǒng)的集成電路(IC)為實現(xiàn)可靠運行而必須滿足的規(guī)格。由于汽車系統(tǒng)經(jīng)常會受到溫度變化的影響,因此AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵規(guī)格是集成電路的環(huán)境工作溫度范圍。AEC-Q100根據(jù)不同溫度等級概述了汽車級IC的工作溫度范圍,如表1所示。
表1:AEC-Q100定義的汽車等級
作為AEC-Q100定義的最寬溫度范圍,0級器件通常為高溫系統(tǒng)而設(shè)計(例如48V HEV),因為這些車輛會因使用ICE偶爾達(dá)到125°C以上的溫度。
由于電動汽車沒有ICE,在大多數(shù)情況下,環(huán)境工作溫度通常不會超過125°C,因此,額定為1級的器件足以解決問題。
用0級數(shù)字隔離器保護(hù)低壓電路
讓我們查看一些用例,以更好地說明0級器件在隔離車載網(wǎng)絡(luò)信號時的優(yōu)點,特別是針對數(shù)字隔離器。數(shù)字隔離器通常用于不同的電壓域(例如48V和12V)之間,以保護(hù)低壓側(cè)電路不受高壓側(cè)電路的影響,并減少高壓共模噪聲對低壓側(cè)信號的影響。
圖1所示的啟動器/發(fā)生器 是一個示例,其中0級數(shù)字隔離器(例如ISO7741E-Q1), 可以降低設(shè)計復(fù)雜性,同時在高溫環(huán)境中增加信號保護(hù)。在啟動器/發(fā)生器中,數(shù)字隔離器和0級控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)靈活數(shù)據(jù)速率(CAN FD)收發(fā)器(例如TCAN1044EV-Q1)可以將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)的48V側(cè)傳輸?shù)?2V側(cè)。48V電氣系統(tǒng)緊鄰ICE;因此,48V系統(tǒng)上的任何溫升都會影響位于48V和12V側(cè)之間接口邊緣的隔離器。這些系統(tǒng)的溫度在短時間內(nèi)會從125°C升高到150°C,并且因汽車制造商而異,通常受任務(wù)曲線或工作溫度曲線的限制。
圖1:數(shù)字隔離器可保護(hù)48V啟動器/發(fā)生器系統(tǒng)的低壓側(cè)
可能會受益于更高溫度等級的數(shù)字隔離器的其他應(yīng)用,包括48V混合動力汽車中的水泵、冷卻風(fēng)扇、煙灰傳感器和牽引逆變器。這些系統(tǒng)大多使用數(shù)字隔離器以及收發(fā)器(在大多數(shù)情況下為CAN、CAN FD或本地互連網(wǎng)絡(luò) [LIN] 通信協(xié)議)作為通信接口。圖2所示為帶有隔離器的暖通空調(diào)(HVAC)壓縮機(jī)模塊,該隔離器用于從高壓側(cè)MCU到低壓側(cè)通信接口電路板的通信。
圖2:數(shù)字隔離器可保護(hù)48 V HVAC壓縮機(jī)模塊的低壓側(cè)
如果數(shù)字隔離器在超過其操作限值的溫度下使用,則可能導(dǎo)致系統(tǒng)時序規(guī)格降級,倘若隔離器停止運行,則可能導(dǎo)致無法通信。對于像起動發(fā)電機(jī)這樣的關(guān)鍵系統(tǒng),這兩種情況都不可取。確保隨時通信的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用可以減少熱量的液體和空氣冷卻系統(tǒng),并使IC溫度保持在其工作限值以下。但是,精心設(shè)計的空氣冷卻系統(tǒng)可能會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)設(shè)計成本、空間和重量增加。使用能夠滿足更高環(huán)境工作溫度的集成電路可以減輕冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),使其更簡單、更具成本效益。
包括ISO7741-Q1在內(nèi)的大多數(shù)合格汽車數(shù)字隔離器均滿足-40°C至125°C的1級溫度范圍要求,適用于許多汽車應(yīng)用。但是,在高溫系統(tǒng)中,與本文中討論的用例類似,0級器件(例如ISO7741E-Q1)將為HEV/EV設(shè)計人員提供替代的數(shù)字隔離解決方案。該解決方案可減少物料清單并縮短產(chǎn)品上市時間,且不會損害系統(tǒng)性能。
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