利用0級(jí)數(shù)字隔離器解決高溫隔離設(shè)計(jì)難題

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作者：Neel Seshan

因?yàn)槠?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)繼續(xù)在混合電動(dòng)汽車（HEV）中采用48V系統(tǒng)，車載網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)隔離的需求變得更加重要。如果對(duì)低壓電路沒(méi)有進(jìn)行可靠、有效的保護(hù)，高電壓的特性和優(yōu)勢(shì)就會(huì)大大降低。

但是，了解到需要在48V車輛中隔離高壓事件信號(hào)只是成功了一半。與純電動(dòng)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(guò)125°C。為了能夠在這樣的環(huán)境中可靠運(yùn)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(huì)（AEC）-Q100“基于封裝集成電路應(yīng)力測(cè)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(jì)用于汽車系統(tǒng)的集成電路（IC）為實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行而必須滿足的規(guī)格。由于汽車系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)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(jí)概述了汽車級(jí)IC的工作溫度范圍，如表1所示。

表1：AEC-Q100定義的汽車等級(jí)

作為AEC-Q100定義的最寬溫度范圍，0級(jí)器件通常為高溫系統(tǒng)而設(shè)計(jì)（例如48V HEV），因?yàn)檫@些車輛會(huì)因使用ICE偶爾達(dá)到125°C以上的溫度。

由于電動(dòng)汽車沒(méi)有ICE，在大多數(shù)情況下，環(huán)境工作溫度通常不會(huì)超過(guò)125°C，因此，額定為1級(jí)的器件足以解決問(wèn)題。

用0級(jí)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(shuō)明0級(jí)器件在隔離車載網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，特別是針對(duì)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(duì)低壓側(cè)信號(hào)的影響。

圖1所示的啟動(dòng)器/發(fā)生器是一個(gè)示例，其中0級(jí)數(shù)字隔離器（例如ISO7741E-Q1）,可以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)在高溫環(huán)境中增加信號(hào)保護(hù)。在啟動(dòng)器/發(fā)生器中，數(shù)字隔離器和0級(jí)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(huì)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(shí)間內(nèi)會(huì)從125°C升高到150°C，通常受任務(wù)曲線或工作溫度曲線的限制，這因汽車制造商而異。

圖1：數(shù)字隔離器可保護(hù)48V啟動(dòng)器/發(fā)生器系統(tǒng)的低壓側(cè)

可能會(huì)受益于更高溫度等級(jí)的數(shù)字隔離器的其他應(yīng)用，包括48V混合動(dòng)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(guò)其操作限值的溫度下使用，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)序規(guī)格降級(jí)，倘若隔離器停止運(yùn)行，則可能導(dǎo)致無(wú)法通信。對(duì)于像起動(dòng)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(shí)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(jì)的空氣冷卻系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jí)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(jí)器件（例如ISO7741E-Q1）將為HEV/EV設(shè)計(jì)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(shí)間，且不會(huì)損害系統(tǒng)性能。

審核編輯：金巧