HEV/EV 應(yīng)用中的高壓測量

許多不同的 HEV/EV 系統(tǒng)和子系統(tǒng)都需要測量高壓，例如電池接線盒 (BJB)、車載充電器 (OBC) DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和高壓配電箱 (PDB) 等。

汽車市場尤其是 HEV/EV 應(yīng)用中最常見的其中一個(gè)問題是盡可能開發(fā)較為精確、緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)，這通常意味著硬件設(shè)計(jì)人員需要減小元件尺寸，甚至選擇引腳數(shù)更少的器件，同時(shí)保持高性能水平。這不僅適用于模擬元件，還適用于處理元件，例如我們的 C2000? 實(shí)時(shí) MCU，也會(huì)受到影響。實(shí)際上，所選的處理元件及其在系統(tǒng)中的放置也會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使硬件設(shè)計(jì)人員考慮并決定隔離位置以及要使用的放大元件類型。

圖 1 顯示了使用 C2000 器件中集成的 ADC 轉(zhuǎn)換器在 HEV/EV 中進(jìn)行高壓測量的典型電路。

在設(shè)計(jì)高壓測量電路時(shí)，電阻分壓器通常是要考慮的第一個(gè)元件。它的主要功能是將總線電壓降至適合測量鏈中的下一個(gè)元件放大器的水平。根據(jù)電阻器的工作電壓，設(shè)計(jì)人員需要使用多個(gè)串聯(lián)的電阻器，形成一個(gè)如示例中所示的電阻梯。

電阻器

傳統(tǒng)的分立式方法通常涉及使用體積龐大且價(jià)格昂貴的高壓厚膜電阻器或一長串標(biāo)準(zhǔn)的盒裝公式電阻器，這是一個(gè)更經(jīng)濟(jì)高效的選項(xiàng)，但需要在電路板上留出很多空間。然而，這些電阻器通常具有顯著的缺點(diǎn)，包括成本高昂、體積龐大以及潛在的精度誤差。

作為測量鏈中的第一個(gè)元件，并且鑒于信號(hào)稍后被放大，盡可能減小該級(jí)的誤差至關(guān)重要。電阻分壓器可以占到測量鏈中總誤差的三分之二，這主要是由于容差、溫度漂移、電阻器不匹配和老化所致。新的 RES60A-Q1 系列使設(shè)計(jì)人員能夠克服這些挑戰(zhàn)。

RES60A-Q1 是一款高壓匹配電阻分壓器，其 HVIN 和 LVIN 引腳之間最高支持 1400V，可提供高精度、低漂移和各種標(biāo)稱比率 (210:1、310: 1、410:1、500:1、610:1、1000:1)，從而在老化和溫度范圍內(nèi)精確按比例降低電壓。

RES60A-Q1 系列器件提供高壓功能，支持設(shè)計(jì)人員將這些器件直接連接到高壓總線。通過使用多個(gè)具有不同標(biāo)稱比率的 RES60A-Q1 器件，設(shè)計(jì)人員可以測量高壓總線并將其按比例降低至多個(gè)更低電壓，從而無需分立式電阻分壓器。

當(dāng) RES60A-Q1 器件按比例降低總線電壓后，需要緩沖信號(hào)，以便以適當(dāng)?shù)姆绞津?qū)動(dòng) ADC。此外，由于所選的拓?fù)涞脑颍枰M(jìn)行電隔離。在這種情況下，適合使用電壓檢測放大器，因?yàn)樗商峁┍匾木彌_和隔離。

放大器

為了盡可能實(shí)現(xiàn)最精確的測量，硬件設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在必須考慮多種因素。增益誤差、失調(diào)電壓誤差、溫度漂移、非線性和輸入阻抗等關(guān)鍵參數(shù)至關(guān)重要，需要仔細(xì)考慮。

此外，幾個(gè)其他重要參數(shù)可以為設(shè)計(jì)人員帶來巨大的好處。其中包括提供的隔離類型（基本或增強(qiáng)型）、放大器輸入類型（AC 或 DC）、輸出配置（差分或單端）以及放大器提供的集成度。通過仔細(xì)評(píng)估這些因素，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化其設(shè)計(jì)，并為其特定應(yīng)用選擇最合適的放大器。

AMC0311D-Q1 是一款高精度隔離式電壓放大器，它具有多種功能，包括 2V 輸入、差分輸出和高達(dá) 5KV_RMS（V_ISO持續(xù) 60s）的增強(qiáng)型隔離。此外，它還提供固定增益、大于 1GΩ 的高輸入阻抗以及出色的精度和極低的誤差：±0.25% 增益誤差和 ±0.8mV 偏移誤差以及 ±50ppm 增益漂移和 ±10μV/oC 偏移漂移（全部指為最大值）。

如果處理元件只有單端輸入 ADC 或缺少足夠的輸入引腳，硬件設(shè)計(jì)人員可以考慮添加一個(gè)額外的運(yùn)算放大器級(jí)，將差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，從而通過單個(gè)引腳向處理元件提供測量結(jié)果。

OPA388-Q1 是一款高精度軌到軌輸入和輸出 (RRIO) 放大器，具有高帶寬 (10MHz)、零交叉和零漂移 (±0.005μV/oC) 功能，強(qiáng)烈推薦用于此類功能。

然而，AMC0311S-Q1 現(xiàn)在提供與 AMC0311D-Q1 類似的優(yōu)勢，包括 ±0.25% 增益誤差和 ±1mV 偏移誤差以及 ±50ppm 增益漂移和±30μV/oC 偏移漂移（全部指定為最大值），但它具有單端輸出配置的額外優(yōu)勢，無需使用上述第二個(gè)放大器級(jí)。

設(shè)計(jì)更精確、更緊湊的系統(tǒng)的重要性確實(shí)正在成為 HEV/EV 的一種趨勢，因此，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)的集成度越高越好。

我們的最新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品系列中新增的放大器使設(shè)計(jì)人員能夠克服最嚴(yán)格的空間限制，并滿足最嚴(yán)苛的系統(tǒng)集成度。

AMC3330-Q1 是一款 ±1V 輸入、增強(qiáng)型隔離放大器，額定值為 4.25KV_RMS（V_ISO 持續(xù) 60s），專為利用差分輸出進(jìn)行精密測量而設(shè)計(jì)。它提供高精確度，具有 0.2% 增益誤差、±0.3mV 偏移誤差以及低漂移、±45ppm/oC 增益漂移、±4μV/oC 偏移漂移（全部指定為最大值）。此外，該器件還具有集成的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)在低側(cè)由 3.3V 或 5V 電源供電進(jìn)行單個(gè)電源操作。

AMC3330-Q1 與先前討論的 RES60A-Q1 匹配電阻器器件相結(jié)合可準(zhǔn)確執(zhí)行測量功能，并為應(yīng)用的次級(jí)側(cè)或低壓域提供隔離式 DC-DC 電源。

另一方面，AMC0381D-Q1 是一款精密高壓 DC 放大器，具有多種特性，包括固定增益、高達(dá) 5KV_RMS 的增強(qiáng)型電隔離（V_ISO 持續(xù) 60s）以及差分輸出。該器件可提供高精確度，輸入阻抗高，誤差和漂移低。具體而言，它提供 ±0.25% 衰減和 ±1.5mV 偏移誤差以及 ±40ppm 衰減和 ±20μV/oC 偏移漂移（全部指定為最大值）。此外，該器件還具有集成的電阻分壓器，可直接連接至輸入范圍選項(xiàng)為 600V、1000V 或 1600V 的高壓 DC 電源。

圖 1 展示了使用我們產(chǎn)品系列中具有集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的 C2000 器件的典型電壓測量電路，但是，還有其他基于 Δ-Σ 調(diào)制器的有用拓?fù)淇梢詾樵O(shè)計(jì)帶來額外的好處，例如更高的抗噪性能。另一文檔中介紹了此主題。

數(shù)字隔離器

我們的 C2000 器件提供各種通信接口，SPI 和 CAN 可能是 HEV/EV 應(yīng)用中最常用的接口。為了驗(yàn)證不同電壓域中的處理元件之間的信號(hào)可靠傳輸，對這些通信總線進(jìn)行適當(dāng)隔離至關(guān)重要。

隔離器是一種具有高壓隔離柵的電子器件，它作為發(fā)送器 (Tx) 將信號(hào)從隔離柵的一側(cè)傳輸?shù)礁綦x柵的另一側(cè)，而在另一側(cè)它作為接收器 (Rx) 恢復(fù)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平。

ISO6741-Q1 是一款高性能四通道 (3/1) 數(shù)字隔離器，專為成本敏感型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它需要高達(dá) 5000V_RMS 的隔離額定值，適合隔離 SPI 通信總線。

如果位于不同電源域中的多個(gè) C2000 器件通過 CAN 總線相互通信，設(shè)計(jì)人員還需要隔離總線。

ISO1042-Q1 是一款電隔離 CAN 收發(fā)器，支持 CAN FD 模式 (5Mbps)，可承受 5000V_RMS 的電壓，并提供 ±30V 共模范圍和 ±70V DC 總線故障保護(hù)。

隔離式電源

在高壓域中進(jìn)行測量時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常需要隔離式電源來偏置次級(jí)側(cè)的其余元件。我們最新的產(chǎn)品組合新增產(chǎn)品提供高度集成的器件，它們具有各種優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)靈活性更高，非常適合替代傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器。

UCC33421-Q1 是一款具有集成變壓器的新 DC-DC 電源模塊，可提供 1.5W 輸出功率，同時(shí)提供 5KV_RMS 隔離額定值，支持低 EMI 并提供出色的負(fù)載調(diào)整 (0.5%)。該器件需要少量的外部元件，可創(chuàng)建非常緊湊且高功率密度的系統(tǒng)解決方案。

集成模塊偏置電源接受 4.5V 至 5.5V 的輸入電壓范圍，并提供 5.0V 穩(wěn)壓輸出，可選擇高達(dá) 5.5V 的余量，使設(shè)計(jì)人員能夠在系統(tǒng)中輕松實(shí)現(xiàn)隔離式負(fù)載點(diǎn) (POL)。

此系列還包括具有較低輸入和輸出電壓 (3.3V) 的選項(xiàng)以及 3KV_RMS 隔離額定值變體，例如 UCC33420-Q1。