48V汽車應(yīng)用中對隔離的需求持續(xù)增長。這是一種緊湊,、高效、穩(wěn)健,、低噪聲的方法,，可通過CAN接口隔離48 V系統(tǒng)。
為今天的汽車設(shè)計是一種平衡行為,。在滿足日益嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)和為越來越多的車載系統(tǒng)和小工具提供動力之間,，需為當(dāng)今的車輛提供高功率，以獲得高效率,。
為實現(xiàn)效率和功率的融合,，工程師更加依賴于將48V電力運行與傳統(tǒng)燃氣發(fā)動機相結(jié)合的系統(tǒng)，如混合動力電動汽車（HEV）,。這種方法可確保車輛滿足嚴格的二氧化碳（CO2）排放標(biāo)準(zhǔn),，同時還可改進性能和驅(qū)動質(zhì)量,。
雖然關(guān)于雙電池汽車系統(tǒng)本身已有很多說法，但我關(guān)注的是這些組合式12和48V系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵且有時被忽視的組件：電流隔離,。電流隔離用于抵抗接地噪聲,，并在與其連接的48 V系統(tǒng)中接地斷開或故障時保護12 V系統(tǒng)。
在本文中,，我將討論48-V汽車應(yīng)用中隔離的需求,，并描述一種緊湊、高效,、穩(wěn)健和低噪聲的方法，通過控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）接口隔離48-V系統(tǒng),。
使用48V電池的車輛電流隔離的必要性
即使在使用48V電池（通常為鋰離子電池）的車輛中,，傳統(tǒng)的12V鉛酸電池仍可為控制電子設(shè)備和低功率設(shè)備供電。在這兩個耗材上運行的系統(tǒng)需要彼此通信,。例如,，48 V起動發(fā)電機由引擎控制器控制，使用12 V電池供電,。兩個系統(tǒng)的接地連接到汽車底盤,。盡管從理論上講，兩個系統(tǒng)可直接相互連接（圖1a）,，但由于以下原因,，電流隔離（圖1b）幾乎始終有必要：
瞬態(tài)地電位差：12 V系統(tǒng)的接地使用螺栓直接連接到汽車底盤。48 V模塊的接地使用幾英尺長的電纜連接到汽車底盤,。48 V系統(tǒng)（如啟動發(fā)電機或交流壓縮機）中存在的大量開關(guān)電流,，結(jié)合接地電纜的電感特性，可能會導(dǎo)致瞬間接地噪聲,，很容易損壞低壓3.3 V或5 V V通信信號,。電流隔離對于確保可靠的數(shù)據(jù)傳輸是必要的,。
48 V側(cè)的接地斷開：有時在故障條件下或維護期間,，圖1a中的GND_48V可能會與底盤斷開連接。模塊的48 V電源,，轉(zhuǎn)而連接到48 V電池,，可能仍然完好無損。在這種情況下,，48 V系統(tǒng)的所有內(nèi)部節(jié)點（包括12 V系統(tǒng)的接口）都可浮動到48 V,。這對12 V系統(tǒng)造成危險，因為它的輸入/輸出端口可能不是設(shè)計用于處理48 V,。在圖1b中,，相同的故障條件不會對12 V系統(tǒng)造成壓力,。48 V出現(xiàn)在電流隔壘上，通常額定電壓高得多（如2.5 kV）,。
短路情況：在圖1a中,，48 V系統(tǒng)內(nèi)部的任何短路都可能導(dǎo)致在與12 V系統(tǒng)的接口處出現(xiàn)48 V電壓。這種潛在危險可能危及多個在12 V電源上運行的電路,，包括對車輛安全運行至關(guān)重要的電路,。電流隔離有助于確保48 V系統(tǒng)上的任何短路不會傳播到車輛的12 V側(cè)。
使用CAN接口隔離48 V系統(tǒng)
可通過多種方式實現(xiàn)電流隔離,，并在系統(tǒng)內(nèi)的不同位置繪制隔離邊界,。圖2所示為一種在CAN接口實現(xiàn)隔離的通用方法。在CAN接口與系統(tǒng)中的其他地方隔離具有使用最少數(shù)量的隔離通道的優(yōu)點 - 僅需兩個隔離通道即可,。這降低了成本和電路板空間,。
隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供隔離電源VISO，為48 V系統(tǒng)的某些部分供電,。即使48 V電池完全放電,，VISO也可確保數(shù)字隔離器和48 V系統(tǒng)的關(guān)鍵部件具有可用于操作的電源。若GND_48V斷開,，VISO也可用于將48V側(cè)置于安全狀態(tài),。
現(xiàn)已推出新型集成隔離式CAN收發(fā)器和隔離式DC-DC電源控制器現(xiàn)，有助于簡化48 V系統(tǒng)中的隔離式CAN接口,。圖3所示為一個示例48-V起動發(fā)電機,。您可為其他48 V系統(tǒng)使用類似的隔離架構(gòu)，如DC-DC轉(zhuǎn)換器,、電池管理系統(tǒng),、加熱器和空氣壓縮機。
單片集成隔離式CAN收發(fā)器,，如德州儀器（TI）ISO1042-Q1（圖3）,，將高壓電流隔離與高性能CAN收發(fā)器集成，有助于減少電路板面積,，同時改進時序參數(shù),。從CAN的角度來看，低環(huán)路延遲和偏移使用CAN靈活數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信,。隔離提供對傳導(dǎo)和輻射干擾的免疫力,。冗余或強化隔離將在故障條件下提供額外的保護余量。
當(dāng)與外部變壓器一起使用時,，德州儀器的SN6505-Q1SN6505-Q1等推挽變壓器驅(qū)動器（也如圖3所示）可產(chǎn)生隔離電源VISO_HV（在10到15 V的范圍內(nèi)）,，為金屬氧化物供電半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）柵極驅(qū)動器，并可產(chǎn)生較低 VISO（3.3至5V范圍內(nèi)），為單片機和隔離CAN器件的數(shù)字側(cè)供電,。
推挽式拓撲結(jié)構(gòu)使用兩個低側(cè)開關(guān),。這些開關(guān)在交替的時鐘相位中導(dǎo)通，以便在中心分接隔離變壓器上連續(xù)傳輸功率,。拓撲結(jié)構(gòu)采用前饋調(diào)節(jié),，輸出電壓純粹通過變壓器比率控制。與其他拓撲結(jié)構(gòu)相比,，連續(xù)功率傳輸可產(chǎn)生更低的峰值電流,，從而降低排放并提高效率。對稱驅(qū)動器還可防止變壓器飽和,，從而形成緊湊的變壓器,。
在12 V側(cè)，非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器或降壓器可產(chǎn)生5 V電源,，為CAN收發(fā)器供電,，同時也可作為推挽式隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。使用前置降壓使系統(tǒng)對12 V電池電源的變化不敏感,，這種變化可能是由負載變化引起的。此外,，在較低輸入電壓（5 V vs. 12 V）下操作會導(dǎo)致變壓器變小,。