由于瞬變、極致溫度環(huán)境以及其他因素，在從使用汽油燃料的汽車轉(zhuǎn)換到油電混合動(dòng)力或全電力推動(dòng)汽車的過程中，為汽車使用的電路以及子系統(tǒng)帶來了許多設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。高電壓電池陣列以及連接到各種不同子系統(tǒng)，例如傳動(dòng)系統(tǒng)和其他高功率電力系統(tǒng)等都必須進(jìn)行隔離，使電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”，避免漏電流或高電壓到達(dá)低電壓系統(tǒng)以及汽車外殼。插入式電動(dòng)車車上的充電器在進(jìn)行夜間充電時(shí)會(huì)接收240V的高市電電壓并吸取高電流，因此能夠抵抗瞬間變化的高電壓保護(hù)就非常重要，目前汽車制造商正在尋求標(biāo)準(zhǔn)化的電池管理系統(tǒng)（BMS， Battery Management System）以便可以處里提供高達(dá)1000V的電池陣列。

　　為了達(dá)到必要等級(jí)的隔離，光電隔離器已經(jīng)成為提供高電隔離和高抗噪能力，并且消耗相較于使用變壓器耦合提供隔離功能更低電力的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電池子系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧舜罅康碾姵貑卧⒏唠娏υ肼曇约柏?fù)載因進(jìn)行電池充電電流產(chǎn)生的大幅度瞬變而變得特別困難。另外，在電池陣列本身和充電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，對(duì)陣列中每個(gè)電池單元的電壓進(jìn)行監(jiān)測非常重要，必須能夠使單一電池單元的故障不會(huì)造成整個(gè)陣列停止工作或?qū)Τ潆娤到y(tǒng)形成過載。

　　電動(dòng)車中典型的電池陣列由多個(gè)電池模塊組成，每個(gè)模塊通常包含許多獨(dú)立的電池單元以及監(jiān)測模塊中電池單元的特殊電路，整個(gè)陣列可以提供數(shù)百伏特的電壓輸出，通常高于400V。監(jiān)測電路取得電池電壓以及其他參數(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)數(shù)字化并通過串行外設(shè)接口（SPI， Serial Peripheral Interface）總線傳送到管理電池系統(tǒng)的微控制器（MCU），請參考圖1，接著微控制器透過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN， Controller Area Network）總線送出控制信號(hào)到汽車中的各個(gè)子系統(tǒng)。

　　為了隔離電池子系統(tǒng)和微控制器，使用光電隔離器接收電池單元監(jiān)測電路SPI輸出送出的串行數(shù)據(jù)并提供物理屏障，主要借助于LED發(fā)射器和光敏接受器的分隔，數(shù)百伏特的隔離可以避免瞬變、電力噪聲以及其他因素對(duì)系統(tǒng)造成破壞，允許電池系統(tǒng)處于“浮動(dòng)狀態(tài)”，也就是和汽車車體無直接連接，另外，電流泄漏也因無汽車車體的連接因而可以降到最低。

　　圖1：典型的電池管理子系統(tǒng)需要多個(gè)光電耦合器提供SPI總線和微控制器間以及微控制器和CAN總線間的隔離。

　　電池子系統(tǒng)中使用了不同型式的光電耦合器提供不同等級(jí)的電壓隔離和性能以符合系統(tǒng)中不同部分的性能要求，請參考圖2。舉例來說，SPI接口通常以超過1MHz的數(shù)據(jù)率工作，并且需要處于-40°C到+125°C的工作溫度范圍，這些要求就帶來了如ACPL-K49T和其他相似光電耦合器的使用以隔離低速片選信號(hào)，而如ACPL-M72T或其他相似產(chǎn)品等較高速光電耦合器則可以作為每個(gè)電池監(jiān)測電路上速度較快的SPI信號(hào)線路，如串行時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出等，請參考圖3。

　　圖2 電池監(jiān)測電路上SPI連接端口的4個(gè)信號(hào)使用光電隔離器以確保不會(huì)有高電壓脈沖由電池陣列穿越到低電壓微控制器。

　　ACPL-K49T是一個(gè)包含LED發(fā)射器、隔離屏障、光二極管接收器以及一個(gè)晶體管放大器，結(jié)構(gòu)非常簡單的單通道光電耦合器，請參考圖3左方，這個(gè)器件可以處理高達(dá)20Kbits/s的數(shù)據(jù)率，提供VCM=1，500V時(shí)30kV/μs的高共模抑制（CMR， Common Mode Rejection）能力以及最低4mA的低LED驅(qū)動(dòng)電流，相反地，ACPL-M72T則具有更為復(fù)雜的接收器側(cè)結(jié)構(gòu)，將光二極管耦合到跨阻放大器以及一個(gè)電壓比較器的輸出驅(qū)動(dòng)電路以便可以更好的處理SPI總線的驅(qū)動(dòng)，請參考圖3中間，這個(gè)光電耦合器可以高達(dá)10Mbits/s的數(shù)據(jù)率工作，傳播延遲最大為100ns，并且耗電流也僅為4mA。

　　要對(duì)電壓敏感線路進(jìn)行隔離處理以保護(hù)微控制器不受瞬變或噪聲影響，可以使用如ACPL-782T等模擬光電耦合器感應(yīng)電池陣列的模擬電壓，并把結(jié)果送到電池管理系統(tǒng)的微控制器，如圖3右方。接著微控制器將它與所有電池電壓單元的電壓總合比較，進(jìn)行系統(tǒng)是否正常運(yùn)作的診斷，并在必要時(shí)送出警告信息給汽車中其他子系統(tǒng)來警告操作者發(fā)生了問題，另外，微控制器也可以送出反饋控制信號(hào)到電池陣列的充電電路，調(diào)整充電參數(shù)或在檢測出嚴(yán)重故障時(shí)關(guān)閉充電系統(tǒng)。

　　在典型的實(shí)現(xiàn)上，分布在一系列串接電阻上的電池電壓會(huì)通過如圖1中ACPL-782T的一個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行感應(yīng)，并于ACPL-782T光電隔離屏障的另一側(cè)產(chǎn)生差分輸出電壓，這個(gè)差分輸出電壓正比于電機(jī)電流，因此可以被轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，由于在現(xiàn)代的開關(guān)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中共模電壓會(huì)在數(shù)十納秒內(nèi)出現(xiàn)數(shù)百伏特的變動(dòng)，因此ACPL-782T在設(shè)計(jì)上可以忽略極高的共模瞬變電壓變化率，最低為10kV/μs，ACPL-782T隔離放大器的高共模抑制（CMR）能力提供了在高噪電機(jī)控制環(huán)境中精確監(jiān)測電機(jī)電流和直流電壓所需的精確度和穩(wěn)定度，為各種不同形式的電機(jī)控制應(yīng)用帶來更平穩(wěn)的控制。

　　圖3 SPI接口使用了兩種不同形式的光電耦合器

　　左方的ACPL-K49T是一個(gè)低速器件，可以簡單處理片選信號(hào)，中間的ACPL-M72T則是一個(gè)帶有跨阻放大器和輸出驅(qū)動(dòng)電路以處理更高信號(hào)速度，如時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸入以及串行數(shù)據(jù)輸出的較高速光電耦合器，右方的ACPL-782T顯示差分電壓和電流感應(yīng)能力使得這個(gè)器件成為電池和電機(jī)監(jiān)測應(yīng)用的良好選擇。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)送到電池管理系統(tǒng)的微控制器時(shí)，微控制器會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，接著通過CAN總線將控制信號(hào)送到充電管理系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、儀表盤以及其它汽車子系統(tǒng)，依微控制器選擇的不同，CAN控制器可以和微控制器集成到相同芯片上，也可采用獨(dú)立的芯片，在大多數(shù)系統(tǒng)中，CAN控制器為獨(dú)立芯片，原因是這樣做可在微控制器和CAN控制器間加入隔離而非在CAN總線本身，請參考圖4，在這樣的應(yīng)用環(huán)境中，CAN總線可以最高速度工作，不會(huì)受到光電隔離器的限制。

　　圖4：微控制器和CAN總線控制器間的5個(gè)信號(hào)線經(jīng)過光電隔離以避免噪聲、瞬變和高電壓脈沖影響信號(hào)完整性或破壞低電壓電路。

　　在這樣的設(shè)計(jì)下微控制器上就形成了雙重隔離，輸入側(cè)有SPI總線上的光電耦合器，輸出側(cè)則有微控制器輸入輸出引腳和CAN控制器輸入間的光電耦合器。圖4中的子系統(tǒng)顯示共有5個(gè)光電耦合器提供對(duì)CAN控制器的隔離，其中3個(gè)為低速光電耦合器如ACPL-K49T，它也被使用在電池管理系統(tǒng)控制器和微控制器間的片選信號(hào)線，CAN子系統(tǒng)中其他2個(gè)光電耦合器則被使用于微控制器和CAN控制芯片間的數(shù)據(jù)傳送和接收，這些光電耦合器必須能夠處理高了許多的數(shù)據(jù)率，通常大約為500kbits/s，因此ACPL-M72T和相似的光電耦合器就成為這個(gè)隔離需求的適當(dāng)選擇。

　　作者：安華高科技（Avago Technologies）技術(shù)營銷工程師 Junhua He