在為汽車xEV應用開發解決方案時，設計人員將遇到的挑戰之一是如何在高壓電池領域和低壓電池領域電子設備之間傳輸數字數據。這一挑戰發生在電池單元電壓監控、電池電流測量、高壓接觸器監控或電機控制等應用中。典型的電池管理系統（BMS）應用如圖1所示，其中突出顯示了需要數字信號隔離的幾個領域。它將用于討論各種設計注意事項。

圖1.電池管理系統的典型配置。

在BMS應用中，設計人員面臨著開發一種解決方案，該解決方案允許跨越隔離柵傳輸來自各種集成電路的高速數字信號。對于設計示例，這些高速數字信號是串行外設接口（SPI）連接，用于BMS控制器和電池單元監控電子設備之間的通信。隔離柵必須為在典型汽車12 V域內運行的BMS控制器電子器件提供保護，使其免受高壓（500 V以上）電池域的電子元件的影響。隔離柵還必須為車輛電驅動系統產生的高壓電池瞬變提供魯棒性。隔離柵和隔離裝置非常重要，因為它們不僅可以保護車輛電子設備，還可以保護車輛乘員免受高壓電池的電擊。

對于隔離柵要求，設計人員可以參考各種行業標準來確定印刷電路板設計的適當準則。對于數字隔離器件的選擇，設計人員將面臨各種挑戰，必須考慮幾個關鍵性能參數，例如器件電流消耗、PCB空間限制、數據速度/數據完整性（通道間匹配）以及適當的隔離和工作電壓（在整個汽車使用壽命期間）。本文探討了器件電流消耗和PCB空間限制方面的挑戰。

通過概述這兩個挑戰，可以探索確定適當組件解決方案的過程。為了執行數字隔離，目前市場上有各種技術，其中考慮選擇的兩種是基于光耦合器的隔離和基于數字的隔離。光耦合器通過LED產生光來工作，LED通過清晰的隔離柵到達光電探測器，而數字隔離器則采用高速CMOS工藝和嵌入式空芯微變壓器設計。

考慮的第一個設計挑戰是器件電流消耗，這給設計人員帶來了兩個挑戰。靜態電流消耗是xEV電子設計的主要焦點，因為車輛關閉狀態下的電流消耗會導致高壓電池組最后已知充電狀態的偏差。此外，當電動汽車支持的所有電子模塊相加時，電子電路的工作電流消耗是一個痛點。在這兩種情況下，愿望都是使每個盡可能小。為了解決靜態電流消耗問題，可以設計BMS來禁用非必要電路的源電壓供應，從而消除了設計人員的這種擔憂。但是，對于隔離器件上所需的工作電流，數字隔離器和光耦合器之間存在較大的增量。假設電池單元監控應用采用1 MHz SPI接口，ADI公司ADuM1401等數字隔離器將為SPI通信總線所需的四個數字隔離通道消耗2.4 mA低壓域工作電流和1.4 mA高壓域工作電流。該值適用于典型汽車5 V電源范圍和?40°C至+125°C擴展工作溫度范圍的工作條件。基于光耦合器的匹配解決方案每個隔離通道至少需要4 mA電流，但是，設計人員必須考慮5 V電源電壓和工作溫度的變化。考慮到這些變化，每個隔離通道的電流消耗增加到10 mA，導致同一SPI通信總線在低壓域的工作電流為30 mA，在高壓域中的工作電流為10 mA。與傳統光耦合器解決方案相比，ADuM1401等數字隔離器在工作電流消耗方面具有明顯的優勢。

下一個需要解決的挑戰是BMS電子設計工程師面臨的機械設計約束。PCB區域是BMS開發中的寶貴商品，設計人員面臨著創建必須適合非常緊湊區域的解決方案。高壓到低壓接口間距要求（通常稱為爬電距離和電氣間隙）由各種電氣標準定義，組件必須滿足這些標準為給定開發確定的最低要求。本文比較了數字和光耦合器隔離解決方案，以確定哪種方案可以節省PCB上的大量面積。

對于數字隔離器解決方案，下面將檢查ADuM1401。ADuM1401采用16引腳SOIC_W封裝，標準JEDEC封裝尺寸為10.3 mm×10.3 mm，總元件面積為106 mm2.類似的光耦合器解決方案需要四個5引腳SOIC封裝器件，其標準JEDEC封裝尺寸為7.0 mm×3.6 mm，單個元件面積為25.2 mm。PCB上需要放置四個元件，器件之間需要典型的1.2 mm元件放置。將光耦合器解決方案的總PCB面積相加，設計人員必須允許134.5 mm2.設計師已經可以實現大約 28 毫米2數字隔離器解決方案的節省區域。

定義隔離器件區域后，設計人員接下來轉向完整解決方案所需的支持組件。ADuM1401等數字隔離器需要使用兩個外部旁路電容。假設采用0603封裝電容器，則消耗的面積為2.5 mm2.對于典型的光耦合器實現方案，設計人員必須添加四個電阻（5.1 mm2）、四個電容器 （5.1 mm2）和四個預驅動電路（33 mm2因為大多數微控制器無法處理其GPIO引腳上的10 mA電流要求。在這一點上，設計人員可以看到，當PCB面積是設計問題時，數字隔離器解決方案具有明顯的優勢。

與PCB空間相關的另一個設計考慮因素涉及為隔離器件的高壓側供電。對于BMS應用，需要平衡電池監控器件的電流消耗，以防止電池組中固有的不平衡。

對于光耦合器解決方案，需要一個單獨的DC-DC轉換器來提供隔離電源電壓，為高壓側接口供電，這增加了已經更大的PCB面積。在數字隔離器系列器件中，設計人員可以選擇ADuM5401數字隔離器，該數字隔離器包含用于SPI接口的四個隔離通道，并集成DC-DC轉換器功能，為高壓側接口供電。這是在與ADuM1401數字隔離器相同的封裝尺寸下實現的，因此不會造成額外的PCB面積損失。

與傳統的光耦合器方法相比，數字隔離器解決方案為設計人員提供了一種節省空間的隔離器件，如圖2所示。

圖2.PCB空間比較。

總之，xEV電子設計工程師面臨的數字隔離挑戰可以使用幾種不同的隔離拓撲來解決。通過使用數字隔離器，設計人員可以在其應用中顯著節省電流消耗和PCB面積。

審核編輯：郭婷