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使用0級數字隔離器解決高溫隔離設計難題

發布時間:2020-04-09 來源:Neel Seshan 德州儀器 責任編輯:wenwei

【導讀】因為汽車工業繼續在混合電動汽車(HEV)中采用48V系統,車載網絡對信號隔離的需求變得更加重要。如果對低壓電路沒有進行可靠、有效的保護,高電壓的特性和優勢就會大大降低。
 
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除使用電池系統外,還使用傳統的內燃機(ICE)。ICE產生的高溫通常超過125°C。為了能夠在這樣的環境中可靠運行,汽車系統及其組成部件必須能夠承受汽車電子協會(AEC)-Q100“基于封裝集成電路應力測試認證的故障機理”中定義的高溫。
 
使用0級數字隔離器解決高溫隔離設計難題
 
AEC-Q100標準概述了設計用于汽車系統的集成電路(IC)為實現可靠運行而必須滿足的規格。由于汽車系統經常會受到溫度變化的影響,因此AEC-Q100標準的關鍵規格是集成電路的環境工作溫度范圍。AEC-Q100根據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。
 
使用0級數字隔離器解決高溫隔離設計難題
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而設計(例如48V HEV),因為這些車輛會因使用ICE偶爾達到125°C以上的溫度。
 
由于電動汽車沒有ICE,在大多數情況下,環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級數字隔離器保護低壓電路
 
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絡信號時的優點,特別是針對數字隔離器。數字隔離器通常用于不同的電壓域(例如48V和12V)之間,以保護低壓側電路不受高壓側電路的影響,并減少高壓共模噪聲對低壓側信號的影響。
 
圖1所示的啟動器/發生器 是一個示例,其中0級數字隔離器(例如ISO7741E-Q1), 可以降低設計復雜性,同時在高溫環境中增加信號保護。在啟動器/發生器中,數字隔離器和0級控制器區域網絡靈活數據速率(CAN FD)收發器(例如TCAN1044EV-Q1)可以將數據從系統的48V側傳輸到12V側。48V電氣系統緊鄰ICE;因此,48V系統上的任何溫升都會影響位于48V和12V側之間接口邊緣的隔離器。這些系統的溫度在短時間內會從125°C升高到150°C,并且因汽車制造商而異,通常受任務曲線或工作溫度曲線的限制。
 
使用0級數字隔離器解決高溫隔離設計難題
圖1:數字隔離器可保護48V啟動器/發生器系統的低壓側
 
可能會受益于更高溫度等級的數字隔離器的其他應用,包括48V混合動力汽車中的水泵、冷卻風扇、煙灰傳感器和牽引逆變器。這些系統大多使用數字隔離器以及收發器(在大多數情況下為CAN、CAN FD或本地互連網絡 [LIN] 通信協議)作為通信接口。圖2所示為帶有隔離器的暖通空調(HVAC)壓縮機模塊,該隔離器用于從高壓側MCU到低壓側通信接口電路板的通信。
 
使用0級數字隔離器解決高溫隔離設計難題
圖2:數字隔離器可保護48 V HVAC壓縮機模塊的低壓側
 
如果數字隔離器在超過其操作限值的溫度下使用,則可能導致系統時序規格降級,倘若隔離器停止運行,則可能導致無法通信。對于像起動發電機這樣的關鍵系統,這兩種情況都不可取。確保隨時通信的標準方法是使用可以減少熱量的液體和空氣冷卻系統,并使IC溫度保持在其工作限值以下。但是,精心設計的空氣冷卻系統可能會導致冷卻系統設計成本、空間和重量增加。使用能夠滿足更高環境工作溫度的集成電路可以減輕冷卻系統的負擔,使其更簡單、更具成本效益。
 
包括ISO7741-Q1在內的大多數合格汽車數字隔離器均滿足-40°C至125°C的1級溫度范圍要求,適用于許多汽車應用。但是,在高溫系統中,與本文中討論的用例類似,0級器件(例如ISO7741E-Q1)將為HEV/EV設計人員提供替代的數字隔離解決方案。該解決方案可減少物料清單并縮短產品上市時間,且不會損害系統性能。
 
 
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