数字光电耦合器为汽车应用 提供低功耗和高隔离

/数字光电耦合器为汽车应用提供低功耗和高隔离摘要与传统的光电耦合器相比，Ａvago

的新款ACＥQ1０0级光电耦合器，即

AＣＰL-K4ｘT

/

ＡCPＬ—K７ｘＴ

系列,具有明显较低的LＥD驱动电流,从而减少了系统的功耗。此外，独特的扩展型表面贴装套件还减少了光耦的引脚和体积,同时加大了绝缘间隙和爬电距离,从而提高了额定绝缘电压.ACPＬ—Ｋ4ｘT/／Ｋ7xＴ系列的数字光电耦合器可广泛应用于IPＭ驱动器、CAＮ总线接口和HEＶ、PＨEV和EV系统内离散的数字信号隔离方面。简介由于汽车系统采用的电子和电气元件数量日益增多，使系统变得更容易受到瞬变电路和短路影响，因此必须采取额外的保护以防止损害关键的系统。这在一台电动马达驱动混合动力汽车或全电动汽车时就显得尤其重要。在这种情况下，高达几百伏的高电压就可能会被引入到动力系统中。此外，除了高压功率转换之外，像CAＮ（控制局域网)网络之类的数据通信子系统也必须加以保护，以使高电压无法馈穿ECＵ（发动机控制单元)、BＭS(电池管理系统)、温控系统等其他子系统。文中附有一些接口电路示例图，说明了光电耦合器如何应用于这些领域的原理。可靠性高历经35年以上的改进，LED以精湛的制造工艺铸就深厚优势。Avagｏ利用这一经验为许多市场提供了可靠性高的LED光电耦合器，广泛应用于工业、军事和太空等领域。可靠性的关键之处在于Avaｇｏ为实现汽车ACEQ１０0级性能而开发的ＬED加工技术。Ａvago光电耦合器在温度为１50°C和LＥD驱动电流为２0ｍＡ的条件下通过了应力测试。电流传输比（CTR）的参数与LED的光输出量成正比.CTR－时间图,如图1[1]所示,可用来间接测量ＬED在整个生命周期内的退化率。正如图中所示，应力测试５000小时后几乎没有退化。基于这一测量即可预测推断,其汽车应用中的工作寿命将长达1０0多年。表1.低ＬＥD驱动电流图1．ＬED在１50°C下经过5000小时应力测试的高性能低功耗相对于具有竞争力的光耦合器,Avago数字光电耦合器除了延长工作寿命之外，还显著降低了ＬEＤ驱动电流（参见表1）。例如，1Mbps（不归零编码）功能型

ACPＬ—K4３T

/

ＡＣPL—K44T

系列光电耦合器[2］具有三种典型的额定驱动电流:０。8ｍA、1．5mA和10mA配置.此外,Ａvago的高速CＭOＳ光电耦合器系列ACPL－Ｋ72T/75T仅需４mA驱动电平。这种相对较低的电平有利于系统设计，因为无需额外的电流缓冲器通过微控制器的输出引脚来直接驱动LED。让我们用ACPL—K43T作为示例来探究一下真正的功耗。确定功耗的系统状况如下:５０%占空比(ＤC）时输入LＥＤ电流为1．5mＡ,输出上拉电阻10kＷ,输出电源电压为5Ｖ：备注:Ｐi=输入功率,Ｐo=输出功率，IF=LED正向电流，VF=LED正向电压，ＩCCL＝输出低电流，ICCH＝输出高电流，VCC=输出供电电压.通过上拉电阻消耗额外的功率：扩展的绝缘电压图2。扩展型SO－8封装电气安全隔离是全球各大监管机构对于高压系统的要求。光电耦合器不仅是传输控制信号的关键性隔离元件,而且还提供低压电路与高压设备之间的高度隔离。光电耦合器必须符合IＥC6074７-５－５、DIN/EN60747－5-2和UL1５77等通用半导体元件的电气安全标准。适当的光电耦合器可按设备安全要求进行选择。工作电压、安装类别和绝缘等级均为选择光电耦合器所需的一些关键的额定设备安全参数。依据工业、家庭、办公和IT设备的安全标准，AC线路电压供电的电气设备通常需要加强的绝缘等级。除了额定绝缘电压之外，某些设备安全标准还专门纳入外部间隙、爬电距离和绝缘距离(DTI，也简称为内部间隙)以及相对漏电起痕指数(CTＩ)等基本绝缘参数.表2示有采用SＯ-5和扩展型SO—８封装的Avagｏ数字光电耦合器绝缘参数,而图2则标明了扩展型SO－８套件物理方面的参数。表2.光耦绝缘参数SSO-8套件能将外部爬电距离和电气间隙增至8毫米以上，并具有高达１１40VＰEAK的最大工作绝缘电压。为了实现较高的电池组电压和变频器总线电压运行，SSO—8套件可提供更多的绝缘空间。例如，设备安全标准IＥＣ60950[３］，《绝缘技术设备（包括电子商务设备)的安全》提出了有关爬电距离和电气间隙的要求。表3中的参考数据表明在2级污染、IＩIａ族材料（针对AＣPL—K43Ｔ光电耦合器)和II类安装的情况下,20０Vｄc和４00Ｖdc的工作电压要求不同的间隙和爬电距离。因此，像ACPＬ-M４3Ｔ这样的一个光电耦合器非常适合于2０0Ｖ电池系统,而ACＰＬ-K44T则适合于400V电池系统。表3.绝缘间隙和爬电距离的IEC6０9５０标准在一辆传统汽油发动机车内，低电压（1２V）电池利用底盘作为其地线，这意味着电流通路实际上是通过车身传输的。在电动车中,通常有两种电压系统：高电压和低电压。ＥV中的高压电池及其相连的设备是一个浮载系统,完全电气隔离于底盘和低压系统之外.事实上,像电机变频器和电池充电器等一些设备在检测到漏电流超过对底盘预设的阈值水平时就会停止工作。通信总线（如CAN总线）将一个信号从低压系统供电的控制器传输至各种高压设备。每个模块的主要接口点如图３所示，光电耦合器在各点被用来提供隔离边界，以确保没有漏电流汇集到底盘。光电耦合器主要应用于电动车内的IPM驱动逆变器、CAN总线隔离和SPI隔离这三大方面。图3.ＥV/ＨEV中的电气系统ＩPM驱动逆变器电动车内的逆变器能转换DC电池电压,以使电池能驱动AC异步电机或ＤＣ无刷电机。IＧBT(绝缘门双极晶体管）是常见的功率转换设备，而IPM（智能集成功率模块）［4]混合动力模块则在一个紧凑的封装结构内同时对IGBT和门驱动电路提供功率。大多数IPM，像FuｊiElectric(富士电机）的Econo７MBP１50TEA060，还融合了过温检测、过流检测和反馈故障报警到微控制器的欠压保护功能。图4所示是一个典型的逆变器系统。图4．光电耦合器在变频器的MＣU和IPM之间提供隔离（示有IＰＭ与ＭCU之间的Ｕ相明细,V相和W相的连接端则不显示)。在这一系统图解中，隔离电路处于MCU和ＩPM之间。六个ACPL—K43T数字光电耦合器能隔离ＩPM的六个门驱动器输入端（上下三个IＧＢT用于三个电源相位）.为了减少该图的复杂性，仅对U相显示光电耦合器;V相和Ｗ相则需要更多的光电耦合器。四个ACPL-K49T［5］光电耦合器隔离IPM合成的故障反馈信号（三个用于各上相，一个用于下相)。电源分布如图4右侧部分所示。光电耦合器的5V电源是直接由12V电池通过稳压器转换而成的;Ｖcｃ_1５V电源则由一个隔离式DＣ/DＣ转换器产生，为所有低通道电路供电;三个附加的隔离式DC/DC转换器能输出1５VVccU/ＶccV/VccW,且彼此均处于浮载状态并单独为上通道电路供电.ＣAN总线隔离车内CAＮ总线网络连接着主机控制ECU和局域子系统，例如温控器、电池管理系统（BMS)、牵引逆变器、油/液压泵和其他子系统.图5所示的光电耦合器在系统中可能出现高压的局域设备和低压CAN总线之间提供电气隔离边界。这将确保稳定运行、消除电气噪声和防止子系统之间的干扰。图5。光电耦合器在局域设备ＭCU（微控制器）与CAN总线收发器之间提供隔离一个ＣAN收发器子系统的示例显示了接口连接端如何配置为NXPTＪA１041CAN控制器的原理（图5）。两个ＡCＰL-K72T光电耦合器能发送和接收ＭCU和TＪA104１之间的数据.由于-４０°C至125°C工作温度范围内的最大传播延迟时间达1０0nｓ,因此ACＰＬ—K72T具有广泛的性能范围,包括汽车应用中所有的1２5kbps、25０kbps和500kｂps3级高速CAN数据传输速率[6]。三个低速ACPL-K49Ｔ光电耦合器分别为ＳＴB、EN和EＲR的收发器引脚传输指令、状态或反馈信号.低压电池通过一个稳压器转化成5V电源对收发器供电,而一个隔离式DＣ－ＤC转换器则对MＣU提供５Ｖ电源。ＳPI隔离串行外设接口总线（SPI）通常适用于处理器及其外围芯片之间，如汽车电池组电芯的电压监测系统。汽车的高压电池由多层电芯堆叠而成，而电芯数量多达一百多片。为了平衡充电期间的电池组电芯的电压或监控电池组驱动电机输电时的电芯能量，每个电芯的电压需要逐个测量，待模拟电压采集后,测量模块内的ADC会将其转换成数字数据并通过SPＩ总线传输给作为主设备的BMSMCU.图6.光电耦合器隔离ＳＰI总线信号如图6所示,典型的４线SPＩ接口包括时钟、数据输入／输出和芯片选择通道。三个高速ACPL—Ｋ72T光电耦合器接口数据输入/输出信号和时钟频率高达2MHz,一个低速ＡCPL-K49T将芯片选择状态从主/MCＵ传输到从设备／ＡDC.一个隔离式DＣ