为什么信号隔离在 48V HEVEV 系统中很重要

1.前言

最近几年，新能源车正处于高速发展的快车道，欧美、日韩以及国内各大车企都有自己的新能源车计划，且部分产品已经正式与广大消费者见面，有意向购买新能源汽车的人越来越多，毫无疑问这是大趋势。

传统内燃机汽车与混合动力车辆（Hybrid electric vehicle, HEV)）或电动汽车（EV） 之间的主要区别之一是存在多个电池和电压等级。内燃机由单个 12V 或 24V 电池供电，通常是铅酸电池。但 HEV 和 EV 使用二次高压电池，其电压范围从 HEV 的 48 V 到更高的电压——EV 的 400 V 至 800 V。

多个电压电平的存在需要隔离以保护低压电路免受高压影响。虽然很明显我们需要对 400V 及以上的电池进行隔离，但我们是否需要在 48V 轻度混合动力系统中进行隔离？让我们来了解一下。

2.48V HEV 中的隔离

即使电压没有 400 V 或 800 V 高，隔离对于 48 V 混合动力汽车很重要的原因有几个，包括提高抗噪性和故障保护。

图 1 显示了一个启动发电机系统，其中包括 H 桥和场效应晶体管 (FET) 的功率级位于 48V 侧。这些 FET 的开关会导致电压瞬变 (dv/dt)，这可能会在 48V 接地上产生一些共模噪声。在没有任何隔离的情况下，此噪声将与 12V 侧耦合并影响低压侧电路的信号完整性。通过在两侧添加隔离，如图 1 所示，我们可以提高共模瞬态抗扰度和信号完整性。

图 1：48V HEV 中的启动器/发电机子系统

在图2中，48伏电池堆和微控制器（MCU） 的电池管理系统（BMS） 坐落在高电压侧，同时与使用电子控制单元的MCU进行通信控制器局域网络（CAN）协议 。如果 48V 侧出现故障，电压可能出现在 12V 侧。低压侧的电路组件（本例中为 CAN 收发器）可能无法承受高压并可能损坏。在低压侧的CAN收发器和高压侧的微控制器之间设置隔离器，即使高压侧出现故障，也能确保低压电路的安全。

汽车电气和电子元件的 Verband der Automobilindustrie 320 (VDA320) 标准规定了故障电流测试 (E48-20)，其中测试电压施加在 48-V/12-V 栅栏上，预期电流介于 12 -V 和 48-V 系统必须小于 1 µA。隔离器的存在确保电流符合标准。

图 2：48V BMS 框图

如果我们正在设计 48-V HEV 系统并寻找与 48-V 侧接口的隔离设备，则根据接口标准，48-V 侧和 12-V 侧之间的通信有几个选项。

对于需要串行外设接口 (SPI)、通用异步接收器发送器（UART） 或 12V 和 48V 侧之间的通用输入/输出 (GPIO) 通信的设计，我们可以使用数字隔离器，例如ISO7741-Q1或ISO7721-Q1 ，取决于我们需要的隔离通道数。

当我们使用 I 2 C 通信来节省信号走线的数量时，隔离的 I 2 C 设备如ISO1540-Q1 （双向数据、双向时钟）或ISO1541-Q1 （双向数据、单向时钟）将起到作用。

如果两端之间存在CAN通信并且需要隔离，则可以在CAN收发器上串联一个像ISO7721-Q1这样的数字隔离器，或者使用一个像ISO1042-Q1 这样的集成隔离CAN设备来节省一些空间。

数据通信只是解决方案的一部分。我们还必须隔离两侧之间的电源，这可以使用反激式、反激式或推挽式拓扑来实现。对于本地电源（例如，用于隔离 CAN 收发器的电源），请考虑使用变压器驱动器，例如SN6501-Q1、SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1，可与外部变压器、整流器和低压降稳压器一起使用, 生成一个简单的隔离电源，如图 3 所示。

图 3：具有稳压输出的隔离电源的简单电路

SN6501-Q1、SN6505A-Q1 或 SN6505B-Q1 之间的主要区别在于每个驱动器的输出电流、扩频以减少辐射和不同的开关频率。这些选项使我们能够选择合适的设备来满足系统的排放标准和电源要求。

虽然我已经在 48V HEV 的背景下讨论了这些解决方案，但这些设备系列的隔离规格和更广泛的封装选项使这些系列也适用于具有更高电池电压的 EV。只需稍加修改，就可以在 EV 设计中重新使用 HEV 子系统中的隔离部分，从而节省设计和布局时间。