利用隔离放大器应对电动汽车中精确电压检测的挑战

来源：DigiKey
作者：Kenton Williston

纯电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 的设计者需要满足对更高性能、更快充电速度和更高效率的需求。在有助于满足这些需求的许多电子功能中，用于实现最佳功率控制的电压精确检测功能就是其中之一。

然而，汽车应用尤其具有挑战性。尽管存在极端温度和需要适当隔离的高电压，但电力电子设备或器件仍必须可靠地运行数十年。这些应用的电压检测电路必须具有高带宽、小误差、小漂移以及高共模瞬态抗扰度 (CMTI)，并符合 AEC-Q100 等汽车标准。这些要求尤其适用于 EV 和 HEV 的关键部件，包括逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器。

基于变压器的隔离放大器非常适合这些应用。这些器件技术先进，恶劣条件下经过几十年后仍能保持卓越的性能。

本文探讨隔离放大器的工作原理。然后，以采用 Analog Devices iCoupler 技术且基于变压器的隔离放大器为例，介绍并回顾这类器件在 EV/HEV 开发中的潜在应用，然后介绍一款有助于启动设计过程的评估板。

基于变压器的隔离放大器的工作原理

隔离放大器是专门的差分放大器，可在输入和输出电路之间提供电气隔离。这种隔离可通过多种方式实现，但在 EV/HEV 应用中，ADuM3195（图 1）等基于变压器的隔离放大器具有独特的优势。


图 1：ADuM3195 隔离放大器通过变压器实现隔离。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

在基于变压器的设计中，隔离是通过变压器耦合实现的。基本工作原理包括以下步骤：

1、将输入信号转换成高频载波信号。
2、然后，载波信号通过变压器跨越隔离屏障进行传输。
3、在变压器次级侧，从载波中重新构建原始信号。

变压器有两个重要功能。变压器在输入和输出电路之间实现电隔离，因此可安全地测量高电压并保护敏感电路。此外，变压器无需跨越隔离屏障进行直接电气连接就能进行信号传输。

基于变压器的隔离技术在电压检测应用方面具有显著优势。这种放大器能有效抑制共模电压，这在嘈杂的电气环境中至关重要。此外，现代设计还实现了适合许多电力电子应用的宽带宽。

用于隔离放大器的小型平面变压器的性能优势

由 Analog Devices 开发的 iCoupler 技术将隔离放大器的设计向前推进了一大步。iCoupler 器件采用微型平面变压器，其典型直径约为 0.5 mm，可实现非常紧凑的解决方案。小巧的外形还能抵御外部磁场，从而提高可可靠性。

iCoupler 性能的核心是聚酰亚胺绝缘层（图 2）。这种绝缘材料具有很高的热稳定性和机械稳定性，使器件经久耐用。这种材料能承受超过 10 kV 的浪涌电压，能在 400 伏均方根 (VRMS) 电压下长期连续可靠地工作。


图 2：iCoupler 性能的核心是聚酰亚胺绝缘层。这种绝缘材料具有很高的热稳定性和机械稳定性。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

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，这是 iCoupler 技术的基本特征之一。这种功能是通过高效的信号编码方法实现的。数据被编码为 1 纳秒 (ns) 脉冲，可实现快速数据传输和低功耗，且每个通道的功耗通常低于 1 毫安 (mA) （图 3）。


图 3：高效的编码方法使 iCoupler 器件能以 150 Mb/s 的速度传输数据，且每通道的电流消耗通常小于 1 mA。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

此外，iCoupler 器件还集成了输入短时脉冲波干扰滤波器，可降低噪声并确保信号传输的纯净度，从而提高电磁嘈杂的汽车环境下的性能。

汽车级隔离放大器的主要特点

包括 ADuM3195WBRQZ 隔离放大器在内的多款器件都采用了 iCoupler 技术。这款符合 AEC-Q100 标准的 ADuM3195 专为汽车环境而设计。该器件的隔离电压为 3,000 VRMS，25°C 时输出失调电压为 ±6 毫伏 (mV)（最大值），增益误差为 ±0.5%（最大值），带宽为 210 千赫兹 (kHz)，增益漂移为 ±27 百万分之一每 °C (ppm/°C)（最大值），失调漂移为 -22 微伏每 °C (μV/°C)（典型值）。该器件的 CMTI 为 150 kV 每微秒 (kV/µs)（典型值），工作温度范围为 -40°C 至 125°C，可配置增益设置，采用 16 引线 QSOP 封装。

这些特性使 ADuM3195WBRQZ 适合在苛刻的汽车应用中进行准确的隔离电压测量，具体包括：

· 电池管理系统 (BMS) 中的电压监控
· 电源中的反馈回路
· 变频器和电机驱动系统

ADuM3195WBRQZ 具有高精度、宽带宽、低功耗和强隔离能力，是 EV/HEV 系统电压检测的特别有效的解决方案。

逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器的隔离放大器要求

ADuM3195WBRQZ 隔离放大器能够克服包括逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器在内的 EV/HEV 电源系统的关键挑战。

其 210 kHz 的带宽可实现低于 5 μs 的响应时间，这对于 DC/DC 转换器中的高效充电、精确的逆变器控制和最小化电压纹波至关重要。这种高带宽还支持使用更小的无源器件，支持宽带隙器件集成，从而提高整体系统效率和功率密度。

ADuM3195WBRQZ 的高阻抗输入最大限度地减少了与测量相关的功率损耗，并使转换器和逆变器稳定运行。减少电流消耗还能降低辅助电路上的应力，从而提高系统可靠性。

ADuM3195WBRQZ 耐高温，可以放置在电机、车载充电器和再生制动系统等发热元件附近，从而有助于防止热失控、管理热循环并避免电力电子器件出现发热点。

对于处理各种输出电压的 DC/DC 转换器，ADuM3195WBRQZ 的低失调误差和低失调漂移特性可确保在温度变化时实现准确的电压反馈。这种准确度有助于实现精确控制、减少纹波和提高传动系统性能。

ADuM3195WBRQZ 的 3,000 VRMS 隔离电压可保护低压电子设备和用户不受高压系统（高达 400 V）的影响。该器件能在 EV 电池系统的功率级和控制电路之间提供有效的噪声抑制，同时连接低压系统 (12/48 V)。

通过满足这些关键要求，ADuM3195WBRQZ 提高了 EV/HEV 电源系统的性能、效率和安全性。

值得注意的是，ADuM4195 可满足更高的系统电压要求，提供高达 5,000 VRMS 的隔离电压和高达 800 V 的低压电子器件保护。

启动 ADuM3195 的开发

EVAL-ADuM3195EBZ（图 4）是一款紧凑型评估板，用于测试和评估 ADuM3195 隔离放大器的性能特征。这是一款隔离式电压监控板，经配置后可用于 DC 和 AC 测量。该电路板经过预配置，可处理高达 1,000 VDC 的（连续）输入电压。


图 4：EVAL-ADuM3195EBZ 评估板专为设置和测试 ADuM3195 而设计。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

EVAL-ADuM3195EBZ 评估板的功能在多个方面有助于启动 EV/HEV 应用开发：

· 高电压隔离和测量：该电路板用于安全测量高达 1,000 V 的高 DC 电压，这与 EV/HEV 电池系统尤为相关。这使开发人员能够监控电池组电压、测量 BMS 中的单电池电压，并与高压 DC 母线连接。
· 可配置输入范围：输入分压器可以调整，以适应 EV/HEV 中常见的不同电压范围。例如，许多 EV 通常采用 400 VDC 总线，较新的 EV 架构采用 800 V 系统，而 48 V 轻度混合动力系统的电压范围较低。
· AC 测量功能：只需稍加改动，电路板就能测量 AC 电压，这对电机驱动逆变器的输出监控、AC 充电系统测量以及高压线路电磁干扰 (EMI)/噪声分析很有帮助。
· 低功耗选项：为降低功耗，当需要谨慎用电时，电源禁用 (PDIS) 输入功能可禁用内部电源。

结束语

EV 和 HEV 设计人员需要在各种子系统中进行精确检测，以实现性能和能效目标。基于微型变压器的隔离放大器（如通过 AEC-Q100 认证的 ADuM3195WBRQZ）非常适合这种应用，该器件集性能、微型化和长使用寿命于一身，能够满足关键的设计要求。隔离放大器的相关评估板有助于设计人员快速启动和运行。