簡化HEV 48-V系統(tǒng)的隔離CAN、電源接口

48V汽車應用中對隔離的需求持續(xù)增長。這是一種緊湊、高效、穩(wěn)健、低噪聲的方法，可通過CAN接口隔離48 V系統(tǒng)。

為今天的汽車設計是一種平衡行為。在滿足日益嚴格的排放標準和為越來越多的車載系統(tǒng)和小工具提供動力之間，需為當今的車輛提供高功率，以獲得高效率。

為實現(xiàn)效率和功率的融合，工程師更加依賴于將48V電力運行與傳統(tǒng)燃氣發(fā)動機相結合的系統(tǒng)，如混合動力電動汽車（HEV）。這種方法可確保車輛滿足嚴格的二氧化碳（CO2）排放標準，同時還可改進性能和驅動質(zhì)量。

雖然關于雙電池汽車系統(tǒng)本身已有很多說法，但我關注的是這些組合式12和48V系統(tǒng)中的一個關鍵且有時被忽視的組件：電流隔離。電流隔離用于抵抗接地噪聲，并在與其連接的48 V系統(tǒng)中接地斷開或故障時保護12 V系統(tǒng)。

在本文中，我將討論48-V汽車應用中隔離的需求，并描述一種緊湊、高效、穩(wěn)健和低噪聲的方法，通過控制區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）接口隔離48-V系統(tǒng)。

使用48V電池的車輛電流隔離的必要性

即使在使用48V電池（通常為鋰離子電池）的車輛中，傳統(tǒng)的12V鉛酸電池仍可為控制電子設備和低功率設備供電。在這兩個耗材上運行的系統(tǒng)需要彼此通信。例如，48 V起動發(fā)電機由引擎控制器控制，使用12 V電池供電。兩個系統(tǒng)的接地連接到汽車底盤。盡管從理論上講，兩個系統(tǒng)可直接相互連接（圖1a），但由于以下原因，電流隔離（圖1b）幾乎始終有必要：

瞬態(tài)地電位差：12 V系統(tǒng)的接地使用螺栓直接連接到汽車底盤。48 V模塊的接地使用幾英尺長的電纜連接到汽車底盤。48 V系統(tǒng)（如啟動發(fā)電機或交流壓縮機）中存在的大量開關電流，結合接地電纜的電感特性，可能會導致瞬間接地噪聲，很容易損壞低壓3.3 V或5 V V通信信號。電流隔離對于確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸是必要的。

48 V側的接地斷開：有時在故障條件下或維護期間，圖1a中的GND_48V可能會與底盤斷開連接。模塊的48 V電源，轉而連接到48 V電池，可能仍然完好無損。在這種情況下，48 V系統(tǒng)的所有內(nèi)部節(jié)點（包括12 V系統(tǒng)的接口）都可浮動到48 V。這對12 V系統(tǒng)造成危險，因為它的輸入/輸出端口可能不是設計用于處理48 V。在圖1b中，相同的故障條件不會對12 V系統(tǒng)造成壓力。48 V出現(xiàn)在電流隔壘上，通常額定電壓高得多（如2.5 kV）。

短路情況：在圖1a中，48 V系統(tǒng)內(nèi)部的任何短路都可能導致在與12 V系統(tǒng)的接口處出現(xiàn)48 V電壓。這種潛在危險可能危及多個在12 V電源上運行的電路，包括對車輛安全運行至關重要的電路。電流隔離有助于確保48 V系統(tǒng)上的任何短路不會傳播到車輛的12 V側。

圖1.12 V和48 V系統(tǒng)之間的直接和電隔離連接。

使用CAN接口隔離48 V系統(tǒng)

可通過多種方式實現(xiàn)電流隔離，并在系統(tǒng)內(nèi)的不同位置繪制隔離邊界。圖2所示為一種在CAN接口實現(xiàn)隔離的通用方法。在CAN接口與系統(tǒng)中的其他地方隔離具有使用最少數(shù)量的隔離通道的優(yōu)點 - 僅需兩個隔離通道即可。這降低了成本和電路板空間。

圖2.所示為輕度混合動力電動車輛中的12V和48V側之間的電流隔離

隔離式DC-DC轉換器可提供隔離電源VISO，為48 V系統(tǒng)的某些部分供電。即使48 V電池完全放電，VISO也可確保數(shù)字隔離器和48 V系統(tǒng)的關鍵部件具有可用于操作的電源。若GND_48V斷開，VISO也可用于將48V側置于安全狀態(tài)。

現(xiàn)已推出新型集成隔離式CAN收發(fā)器和隔離式DC-DC電源控制器現(xiàn)，有助于簡化48 V系統(tǒng)中的隔離式CAN接口。圖3所示為一個示例48-V起動發(fā)電機。您可為其他48 V系統(tǒng)使用類似的隔離架構，如DC-DC轉換器、電池管理系統(tǒng)、加熱器和空氣壓縮機。

圖3.這款48V啟動發(fā)電機采用隔離式CAN收發(fā)器和推挽式隔離電源

單片集成隔離式CAN收發(fā)器，如德州儀器（TI）ISO1042-Q1（圖3），將高壓電流隔離與高性能CAN收發(fā)器集成，有助于減少電路板面積，同時改進時序參數(shù)。從CAN的角度來看，低環(huán)路延遲和偏移使用CAN靈活數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。隔離提供對傳導和輻射干擾的免疫力。冗余或強化隔離將在故障條件下提供額外的保護余量。

當與外部變壓器一起使用時，德州儀器的SN6505-Q1SN6505-Q1等推挽變壓器驅動器（也如圖3所示）可產(chǎn)生隔離電源VISO_HV（在10到15 V的范圍內(nèi)），為金屬氧化物供電半導體場效應晶體管（MOSFET）柵極驅動器，并可產(chǎn)生較低 VISO（3.3至5V范圍內(nèi)），為單片機和隔離CAN器件的數(shù)字側供電。

推挽式拓撲結構使用兩個低側開關。這些開關在交替的時鐘相位中導通，以便在中心分接隔離變壓器上連續(xù)傳輸功率。拓撲結構采用前饋調(diào)節(jié)，輸出電壓純粹通過變壓器比率控制。與其他拓撲結構相比，連續(xù)功率傳輸可產(chǎn)生更低的峰值電流，從而降低排放并提高效率。對稱驅動器還可防止變壓器飽和，從而形成緊湊的變壓器。

在12 V側，非隔離式DC-DC轉換器或降壓器可產(chǎn)生5 V電源，為CAN收發(fā)器供電，同時也可作為推挽式隔離式DC-DC轉換器的輸入電壓。使用前置降壓使系統(tǒng)對12 V電池電源的變化不敏感，這種變化可能是由負載變化引起的。此外，在較低輸入電壓（5 V vs. 12 V）下操作會導致變壓器變小。

結論

電流隔離是使用48V電池供電的汽車中極其重要的考慮因素。隔離用于抵抗接地噪聲，并在與其連接的48 V系統(tǒng)中接地斷開或故障時保護12 V系統(tǒng)。在HEV中使用48V電源的系統(tǒng)的示例包括起動器 - 發(fā)電機、電動渦輪增壓器、電動泵、空調(diào)、加熱器、電動懸架和駕駛員輔助。集成隔離式CAN收發(fā)器與基于推挽式隔離式DC-DC電源相結合，可提供用于隔離48 V系統(tǒng)的緊湊、高效、穩(wěn)健且低噪聲的技術。

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