用于高压、高容量电池系统的低成本 isoSPI 耦合电路

2015-02-25 21:33:29来源: 互联网
内置到 LTC6804 电池组监视器中的 isoSPI™ 功能与 LTC6820 isoSPI 通信接口相结合,可以跨高压势垒提供安全可靠的信息传输。在通过存储单元串联连接产生数百伏电压的能量存储系统中,isoSPI 尤其有用,这类系统需要彻底的电介质隔离,以最大限度地减少对人员的危害。

在典型 isoSPI 应用 (图 1) 中,脉冲变压器提供电介质隔离,抑制可能对配线系统产生重大影响的共模干扰。用很容易买到、价格不贵的以太网 LAN 磁性元件就可以实现 iso SPI 功能,实现该功能的电路一般包括一个改善共模线路噪声性能的共模扼流圈部分 (如图 1 所示) 以及很有用的 100Ω 线路终端电阻器和共模去耦电容器。

 

图 1:isoSPI 点对点链路概略图

普通信号变压器 (包括以太网和极驱动器型) 是用漆包绝缘线缠绕的,这可能有针孔大小的绝缘缺陷,使铜线暴露于空气之中,这固有地限制了绕组之间的偏置,而绕组间偏置正是对此类变压器进行认证的依据。在生产中,用高压 (称为 hi-pot 筛选) 测试这类变压器,以确定总的绝缘问题,一般为 1.5kV。这一绝缘电压是针对 60V 长期偏置设定的安全设计裕度,因为在微小腐蚀的环境中,往往需要超过 60V 的电压才能在绕组之间构成传导通路。

问题:高压=高成本

就 400V 范围的电池组电压而言,良好的设计实践是,采用加强 (双重) 绝缘,用高达 3750V 或更高的电压进行 hi-pot 测试,以此确定变压器的性能规格。由于所需爬电距离 (表面距离) 和空隙 (空气间隔) 尺寸较大,所以这类变压器很难找到小型产品,而且相对比较昂贵。isoSPI 用于高达 1kV 的电池系统,这就要求变压器经过 5kV 的 hi-pot 测试,以留出保守的设计裕度。在这种情况下,隔离组件可能很大、很昂贵,而且有损于脉冲保真度。

解决方案:分而治之

一种不采用加强绝缘变压器的解决方案是,通过将额外的绝缘要求转移到耦合电容器上,将偏置要求从磁性元件上剥离出来。仅靠电容器就能提供看似完整的隔离选择,电容器既不提供共模抑制,也不提供变压器所具备的抗冲击隔离特性,因此 L-C 方法实际上是最佳的。采用这种方法时,电容器充电至标称 DC 偏置值,让变压器处理瞬态问题,而对于瞬态问题的处理,即使普通变压器也很适合。

耦合电容器用电阻值很大的电阻器偏置,一般连接到变压器的中央抽头连接点,如图 2 所示。这样做还有一个好处,如果偏置电阻器的 DC 电流受到监视,那么任何电介质击穿都成了可检测故障。所选择的电阻值很大,例如 10MΩ,以使故障电流低于变压器细线额定值,同时对人员的冲击损害最小。

 

图 2:AC 耦合的 isoSPI 点对点链路适合更高电压

将高压要求从变压器磁性元件设计中剥离出来以后,就出现了几种成本相对较低的选择。一种是仅使用得到批准的以太网变压器。另一种是使用现成有售的扁平磁性元件,以降低组件高度和组件重量 (减轻焊料疲劳问题)。这类变压器像其他任何组件一样,可以采用自动化表面贴装组装方法安装,从而降低了生产成本。具备上述特点的一个很好的组件选择是分立式共模扼流圈 (CMC),CMC 具备变压器结构,通常用作滤波组件。这类组件的电感可高达 100µH,已得到批准以用于汽车系统,因此也成为 isoSPI 配置希望使用的组件。

适用的 CMC 价格不贵。CMC 是用机器在芯片大小的铁氧体上缠绕线对而成,可简便快速地生产。尽管为了使持续时间较长的脉冲波形有效通过,isoSPI 设计需要略高一点的电感,但是可以通过使用两个扼流圈来得到充足的电感,让两个扼流圈的绕组串联,就可产生 200µH 电感。这还带来了一个额外的好处,即基本上构成了中央抽头连接,这对共模偏置和去耦功能很有用。

图 3 显示了用两个 CMC 实现的等效变压器模型。图中所示扼流圈的占板面积为 1812 SMT,采用双线绕组 (缠绕时使用成对导线),因此主边和副边是严密匹配的,从而最大限度地减小了漏电感,因此保持了良好的高频性能。变压器如果采用物理上分开的绕组,脉冲保真度较差,因为漏电感太大。图中所示变压器具备 50V DC 额定值。

 

图 3:用两个共模扼流圈构成具备中央抽头的 isoSPI 变压器

完整电路

图 4 显示了采用 L-C 解决方案和以 CMC 为变压器的完整电路。既然通常的 isoSPI 应用包括非常有益的 CMC 滤波部分 (采用标准 LAN 组件时,这部分是集成在内的),所以图 4 电路包括一个建议采用的分立式组件,以保留滤波功能。耦合电容器是 10nF 至 33nF 的高质量组件,占板面积为 1812 SMT (额定值为 630V 或 1kV)。这里我们假定,LTC6820 以机架地电位工作,以使双绞线的偏置处于安全水平。

 

图 4:完整的高压 isoSPI 点对点链路

当双绞线对的两个端子都处于浮置地电位时,如同菊花链式连接的 LTC6804-1 模块之间的链路那样,就可以在链路的两个端子上使用电容器,线对本身也可以通过连接到每条线上的高阻值电阻器偏置到“地”电位,如图 5 所示。因为图中电容器是串联的,那么建议至少使用 22nF 电容器 (图中所示为 33nF/630V)。

 

图 5:采用隔离配线的高压菊花链式 isoSPI 链路

在同一块电路板上以菊花链方式连接的 LTC6804-1 之间的链路不需要任何电容器耦合,因为其电位通常 <50V,而且由于没有电缆,进入的噪声小得多,所以常常仅需要单个变压器 (图 6)。

 

图 6:菊花链式 isoSPI 链路用来在同一块电路板上实现互连

高压布局

印刷电路板布局应该跨主要电解质势垒 (即电容器) 设置很宽的隔离间隔。图 7 显示了一种组件布局实例,图中电路可提供良好的高压性能,蓝色区域代表机架地 (左边具备双绞线连接器) 和 IC 公共接口 (右边)。

 

 

图 7:建议采用的印刷电路板布局,可在 isoSPI 接口端提供良好的高压性能

请注意,变压器必须承受 HV 瞬态电位,因此图中也用 1206 大小的偏置电阻器保持空隙。HF 去耦电容器和阻抗终端电阻器可以是小型组件 (如图所示为 0602 大小)。

另一种避免跨 HV 势垒产生漏电流的良好做法是,在 HV 组件 (跨地线之间“缝隙”的组件) 区域抑制阻焊层。这为有效冲洗组件下方的剩余焊剂提供了方便,并避免湿气滞留在多孔阻焊层中。

需要特殊考虑的 isoSPI 总线问题

前述电路适用于点对点 isoSPI 链路,但是提供高压解决方案时需要应对的重要问题之一是连接到总线的可寻址 LTC6804-2,该器件的双绞线链路通过每一个“抽头”连接点,如图 8 所示。总线应用对所有变压器都有高压要求,因为同一个双绞线电位必须与浮置电池组的任何电压接口。

与前述相同,这里也用 CMC 和 AC 耦合电容器增强绝缘性,但是我们建议采用略有不同的耦合电路,以衰减大量反射信号,为通信器件提供一致的波形,而不论这些器件在网络中的物理位置。不同之处有 3 种:

LTC6820 终端变为 100pF 电容器 (CT)。

远端终端仅用于运行中的总线 (RT),并设定为 68Ω (任何 LTC6804-2 都没有终端)。

所有总线连接都采用 22Ω 耦合电阻器 (RC),以对杂散容性负载去耦。

这些差别都显示在图 8 所示电路中,该电路再次假设 LTC6820 以安全的“大地”电位工作。修改后的波形是带限的,以控制反射信号引起的失真,因此 IC 引脚处接收到的脉冲看似更加圆滑,如图 9 所示,不过 isoSPI 脉冲鉴别器电路可以很好地运用这种修改后的波形,支持总共提供 16 个地址的总线。视给定系统中遇到的实际损耗的不同而不同,也许有必要降低脉冲检测门限,以实现最佳工作状态 (将门限设置为差分信号峰值的 40% 至 50%)。

 

图 8:具备回波控制的完整高压 isoSPI 总线

 

图 9:在 isoSPI 总线应用中,修改后的脉冲波形以用于回波控制

请注意,就地址数量少于等于 5 个的网络而言,信号反射一般不是重要的问题,因此可以保留标准电阻性终端 (即在图 8 中的 CTERM 和 RTERM 位置放置 100Ω 电阻器,而 RC 则省略掉)。

结论

采用 AC 耦合方法可以减轻高压 isoSPI 系统的成本问题,而且无需要求磁性元件提供双重绝缘。用价格不贵、缠绕在绕线管上的共模扼流圈 (CMC) 组件取代专门的螺旋管型变压器磁性元件,还可以进一步降低成本。电容器和 CMC 都是相对扁平的表面贴装芯片组件,价格富有竞争力,而且其高可靠性经过审查,可用于汽车系统。用于 AC 耦合的偏置电阻器为监视系统的电介质完整性提供了一种非常有用的途径。

关键字:高容量  电池系统

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/0225/article_25621.html
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