信號隔離

在雪佛蘭Volt的系統之系統中，通信與控制是汽車工作的基礎，而Volt提供了多個網絡用于隔離和保護各個子系統。上述復雜算法需要管理各個鋰離子電池組，并監視特定電池接口控制模塊上的每個檢測子系統內的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關鍵數據包含在CAN總線信號接口和高壓故障信號中。與此同時，系統安全性和可靠性取決于CAN總線網絡與高壓檢測電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實現，但惡劣環境和多種安全法規使得光耦成為這類應用的首選解決方案。

光耦可以提供很高的共模噪聲抑制能力，并且基本上不受與汽車等電氣噪雜環境有關的EMC和EMI的影響。另外，這類器件都有很厚的多層絕緣，在面臨來自電池組的長期直流電壓應力以及在測試、充電器連接/斷開和直流/直流轉換期間可能發生的快速高壓瞬態情況時非常有用。

在選擇這類重要元件時，針對汽車應用的關鍵要求包括合適的封裝和工作電壓指標。雖然性能指標(如速度、數據速率和功耗)仍很重要，但來自快速切換時間和大瞬態電流的EMI方面的考慮因素通常限制了對非常高速器件的需求，相反增加了對調整壓擺率和性能以進一步限制EMI的更多靈活性要求。

汽車級光耦

安華高科技公司的ACPL-M43T光耦提供了Volt汽車電池接口控制模塊PCB中的隔離功能。M43T是安華高R2Coupler系列產品中的一員，是一種汽車級單通道數字光耦，采用5個引腳的SO-5 Jedec表貼封裝。為了增強絕緣性能，諸如M43T等安華高的R2Coupler器件使用雙綁定線來增強關鍵功能焊盤(圖7)。此外，密封式汽車級LED的使用展示了擴展的可靠性和很寬的溫度范圍，這要比基于消費級LED的光耦要高得多。以汽車應用為目標的安華高器件的制造符合ISO/TS16949質量系統，并獲得了AEC-Q100規范的認證。
 

 
圖7：在諸如ACPL-M43T光耦等汽車級R2Coupler器件中，安華高使用雙綁定線加固了關鍵功能焊盤(顯示在高亮區)。（安華高科技公司提供）

ACPL-M43T能夠很好地滿足雪佛蘭Volt電池組要求，指標包括567V連續工作電壓、6000V最大瞬態過電壓、5mm爬電距離和5mm間距。該器件的邏輯高或邏輯低輸出在10mA正向輸入電流時具有30 kV/μsec的共模瞬態抑制性能，從而能夠減少來自其它汽車子系統的瞬態信號進入CAN傳輸網絡的可能性。

ACPL-M43T光耦的1M波特率足夠這類設計使用。另外，器件采用了開漏輸出方式，設計工程師可以通過調整輸出壓擺率來降低下游元件中的快速開關可能導致的電磁輻射。下游快速開關元件包括CAN收發器，雖然在CAN物理層傳輸協議中其固有的EMI相對較低。

在電池接口模塊PCB中，M43T器件位于通信部分的邊緣，它將通信部分與高壓檢測子系統隔離開來，而這個高壓檢測子系統還被更深PCB層中的地平面進一步屏蔽。隔離接口提供3個獨立的M43T光耦，分別用于從每個檢測電路引出的3根線——即飛思卡爾S9S08DZ32 CAN Tx輸出引腳、MCU CAN Rx輸入引腳和來自MCU的高電壓故障信號。舉例來說，MCU CAN Tx引腳的輸出信號將通過PCB中的屏蔽信號層到達M43T器件的引腳1陽極給嵌入式LED供電，并導致引腳5 Vo發生狀態改變(圖8)。隔離后的信號再傳送到電池接口模塊的通信輸出級電路。
 

 
圖8：安華高ACPL-M43T光耦用于隔離飛思卡爾S9S08DZ32 MCU和英飛凌CAN收發器之間的信號。(安華高科技公司提供)

CAN物理信號

英飛凌TLE6250G CAN收發器位于通信信號鏈的末端，是一款經過AEC認證的IC，可以提供物理電纜和CAN協議處理器——這里是S9S08DZ32 MCU(通過光耦隔離)之間的CAN物理層信號。這個器件的額定CAN傳輸速率是1M波特率，它能處理差分信號線上的CAN_H和CAN_L信號之間的轉換，以及由S9S08DZ32發送和接收的CAN占有(dominant)位和空閑(recessive)位。

8引腳的TLE6250G包括了Tx、Rx、Vcc、GND、CAN_H和CAN_L引腳以及兩個模式控制引腳：INH和RM。當TLE6250G檢測到Rx引腳上的信號從CAN空閑狀態改變到CAN占有狀態時，器件將交換CAN_H高和CAN_L低(圖9)。

狀態的這種對稱性變化可以有效降低EMI，因為CAN_H上升造成的電磁輻射能被CAN_L的相反方向轉變所平衡。
 

 
圖9：在CAN物理層中，CAN_H和CAN_L的對稱性變化有助于降低EMI。(英飛凌科技公司提供)

TLE6250G器件支持3種工作模式：正常、待機和僅接收。當RM引腳置低時，器件工作在僅接收模式，這對診斷來說很有幫助。當INH引腳置高時，器件進入低功耗待機模式，同時關閉發送和接收功能。

下一代系統

雪佛蘭Volt當然是在商用化市場中投入生產的最復雜分布式嵌入式系統應用之一，它的設計在多個領域處于領先水平。在影響Volt成功和電動汽車市場普及的最重要系統中，汽車的鋰離子電池和相關的電池管理系統表明了汽車應用中軟件和電路重要性的提高。根據最近發布的McKinsey市場調查報告，到2025年，新興鋰離子技術完全可以把電池容量提高80%至110%，價格則隨之下降，從而使電動汽車的總體擁有成本能夠與內燃機驅動的傳統汽車相抗爭。對工程師來說，挑戰仍然表現為在面對更高的直流電壓、電池容量、數據速率和消費者期望值的情況下如何發掘新興鋰離子電池系統的全部潛能。