利用隔离放大器应对电动汽车中精确电压检测的挑战

在电动汽车(EV)与混合动力汽车(HEV)迅猛发展的当下，提升性能、能效以及安全性成为行业焦点。众多电子功能在满足这些需求中发挥着关键作用，其中，实现最佳功率控制的精确电压检测功能尤为重要。无论是 EV 还是 HEV，其关键部件，像逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器等，对电压检测电路都有着严苛要求。这些电路不仅要具备高带宽、小误差、小漂移以及高共模瞬态抗扰度(CMTI)，还需符合 AEC - Q100 等汽车标准。在此背景下，基于变压器的隔离放大器凭借独特优势，成为应对这些挑战的理想选择。

隔离放大器工作原理与优势

隔离放大器作为专门的差分放大器，其核心特点是在输入和输出电路之间提供可靠的电气隔离。在 EV 和 HEV 应用里，基于变压器的隔离放大器，如 ADuM3195，展现出卓越性能。这类放大器通过变压器耦合达成隔离，具体而言，载波信号借助变压器跨越隔离屏障进行传输。变压器在输入和输出电路间构建起电隔离，这一特性不仅能安全测量高电压，还能有效保护敏感电路。并且，它无需直接电气连接就能实现信号传输，避免了诸多潜在风险。

基于变压器的隔离技术在电压检测应用中优势显著。在嘈杂的电气环境里，共模电压干扰是一大难题，而该技术能有效抑制共模电压。以 Analog Devices 开发的 iCoupler 技术为例，其采用的绝缘材料具备出色的热稳定性和机械稳定性，这使得器件极为耐用。该材料可承受超过 10 kV 的浪涌电压，能在 400 伏均方根(V RMS)电压下长期稳定工作。同时，iCoupler 技术能在高频下运行，支持高达每秒 150 兆比特(Mb/s)的数据传输速度。这一功能借助高效的信号编码方法得以实现，数据被编码为 1 纳秒(ns)脉冲，不仅实现快速数据传输，还降低了功耗，每个通道的功耗通常低于 1 毫安(mA)。此外，iCoupler 器件还集成了输入短时脉冲波干扰滤波器，在电磁嘈杂的汽车环境中，能有效降低噪声，确保信号传输的纯净度，提升整体性能。

隔离放大器在电动汽车中的应用

逆变器控制

逆变器在 EV 和 HEV 中负责将直流电转换为交流电，为电机提供动力。其工作过程中的电压变化迅速且复杂，需要精确的电压检测来实现精准控制。ADuM3195WBRQZ 隔离放大器凭借 210 kHz 的高带宽，可实现低于 5 μs 的响应时间，这对于逆变器的精确控制意义重大。一方面，能确保电机平稳运行，避免因电压控制不当产生的抖动和效率降低;另一方面，有助于最小化电压纹波，减少对电机和其他电路的干扰，延长设备使用寿命。

DC/DC 转换器

DC/DC 转换器在电动汽车中用于调整电压，满足不同部件的供电需求。在其工作过程中，ADuM3195WBRQZ 的高阻抗输入发挥着关键作用，它极大地减少了与测量相关的功率损耗，保障了转换器稳定运行。同时，该隔离放大器的低失调误差和低失调漂移特性，确保在温度变化时，也能为 DC/DC 转换器提供准确的电压反馈。在处理各种输出电压时，这种准确度能够实现精确控制，有效减少纹波，提升传动系统性能。此外，在充电过程中，其快速响应特性有助于实现高效充电，提高充电速度，缩短充电时间。

车载充电器

车载充电器在工作时会产生大量热量，ADuM3195WBRQZ 耐高温的特性使其可放置在车载充电器附近，用于精确监测电压。这不仅有助于防止热失控，有效管理热循环，还能避免电力电子器件出现发热点，保障车载充电器安全、稳定运行。并且，其 3,000 VRMS 的隔离电压，能可靠保护低压电子设备和用户免受高压系统(高达 400 V)的影响，在功率级和控制电路之间提供有效的噪声抑制，同时实现与低压系统(12/48 V)的连接。

评估板助力开发

为帮助设计人员快速上手，相关厂商推出了有助于启动设计过程的评估板。以某评估板为例，它具备高电压隔离和测量功能，可安全测量高达 1,000 V 的高直流电压，这与 EV/HEV 电池系统紧密相关。开发人员能借助它监控电池组电压、测量电池管理系统(BMS)中的单电池电压，并与高压直流母线连接。其输入分压器可灵活调整，以适应 EV/HEV 中常见的不同电压范围。此外，只需稍加改动，该电路板就能测量交流电压，这在电机驱动逆变器的输出监控、交流充电系统测量以及高压线路电磁干扰(EMI)/ 噪声分析等方面大有用处。并且，为降低功耗，当用电需谨慎时，电源禁用(PDIS)输入功能可方便地禁用内部电源。

综上所述，EV 和 HEV 设计人员在实现性能和能效目标的过程中，需要在各种子系统中进行精确检测。基于微型变压器的隔离放大器，如通过 AEC - Q100 认证的 ADuM3195WBRQZ，凭借其性能、微型化和长使用寿命等优势，能够出色满足关键设计要求，为电动汽车行业的发展注入强大动力，推动其朝着更高效、更安全的方向大步迈进。