圖1. 電池組中的串聯(lián)電池監(jiān)控和隔離
  圖1中，串聯(lián)電池串的中間有一個開關(guān)或接觸器。一般情況下，無論汽車正常行駛還是停車，該開關(guān)始終閉合。車輛維修時或緊急情況下，需將該開關(guān)拉開或離開所在位置，禁止電池組端電極出現(xiàn)電池組電壓。為了不影響開關(guān)斷開所提供的隔離性能，必須確保沒有任何電子器件橋接開關(guān)端子。因此，開關(guān)斷開時，電池組的上半部分應(yīng)與下半部分應(yīng)保持電氣隔離。這意味著，電池組上半部分的電池數(shù)據(jù)必須通過其最底部的電池監(jiān)控器通信，跨過隔離柵，傳輸至管理整個電池組數(shù)據(jù)流入流出的微處理器或微控制器。類似地，電池組下半部分也必須與此微處理器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。
  除電池監(jiān)控器外，電池組中還有一個電流監(jiān)控器，用來測量并報告電池組的電流。該監(jiān)控器一般放在電池組底部，也需要考慮隔離。霍爾效應(yīng)電流傳感器本身具有電流隔離功能，無需再配置隔離電路。不過，如果該電流傳感器采用分流元件，則相關(guān)的分流監(jiān)控電路需要單獨的隔離柵。使用分流方法檢測電流越來越受歡迎，它比霍爾效應(yīng)檢測更穩(wěn)定、更精確，而且價格也更有競爭力。使用低值分流電阻和低成本、高分辨率監(jiān)控電子器件(例如通過AEC-Q100認證的AD820x和AD821x系列分流監(jiān)控器，至今針對汽車插座的出貨量已超過1億片)，可以將自發(fā)熱降至極小，使這種方法的傳統(tǒng)弊端不復(fù)存在。因此，除非電流檢測監(jiān)控器能夠接入最底部的電池監(jiān)控器，共用其隔離柵，否則圖1中的系統(tǒng)需要三個獨立的隔離柵。
  另一種頗受歡迎的構(gòu)建電池組方法是將電池包分為一系列電氣獨立的電池群組(圖2)。每個電池群組最底部的監(jiān)控器跨過專用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器。

  圖2. 并行接入電池包的電池組
這種方法會使用更多的數(shù)字隔離器，因此成本比圖1所示系統(tǒng)更高，但它可以同時要求所有電池群組報告電池組內(nèi)電池監(jiān)控器所監(jiān)測到的信息，從而能在更短的時間內(nèi)回讀所有電池數(shù)據(jù)。另一個好處是，當菊花鏈發(fā)生問題時，如斷線或連接器接觸不良等，備用監(jiān)控器可以繼續(xù)監(jiān)控。將剩余電池包電壓與總電池組電壓進行相關(guān)分析，仍然可以確定停止工作電池包的數(shù)據(jù)。
  這種方法的確需要更多電纜，由于高達75%的電磁兼容性(EMC)問題與輸入/輸出(I/O)端口有關(guān)，因此這可能會引發(fā)問題。I/O端口是一種開放式通路，供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進入一臺設(shè)備，以及供*信號逃逸——通過傳導(dǎo)I/O線路上的雜散信號，或者通過I/O電纜的輻射。電池組電纜較多的話，若不特別注意信號的穩(wěn)定性以及所選的通信協(xié)議，其EMC性能會大幅下降。因此，與端口相連的I/O設(shè)備的EMC性能對于整臺設(shè)備的EMC性能至關(guān)重要。
  頗受歡迎的SPI通信協(xié)議適合同一印刷電路板(PCB)上的器件之間通信，但單端信號可能難以經(jīng)由24至36英寸電線實現(xiàn)可靠傳輸，尤其在高噪聲環(huán)境中。如果數(shù)字信號要在板外傳輸，則謹慎起見，系統(tǒng)設(shè)計中可能需使用差分收發(fā)器，例如ADM485。這些收發(fā)器可以采用低端電源供電，無需直接耗用電池組中的電池電源。
  隔離技術(shù)是電池組通信的關(guān)鍵
  為了提高電池組電壓，以便滿足重型私家車以及輕型卡車、貨車的更高功率電機需求，必須增加電池組中的電池數(shù)量。除了增加串聯(lián)電池數(shù)量之外，現(xiàn)在的許多電池包還含有并聯(lián)電池串，目的是提高整個電池包的安培小時(AH)容量。必須監(jiān)控各并聯(lián)電池串，因而需要收集大量數(shù)據(jù)。與所有這些電池相關(guān)的電池監(jiān)控器數(shù)據(jù)，必須在系統(tǒng)集成商設(shè)定的系統(tǒng)環(huán)路時間要求范圍內(nèi)，可靠地回傳給電池測量系統(tǒng)(BMS)微控制器。
  因此，跨越系統(tǒng)間邊界提供可靠數(shù)據(jù)通信的難度也隨之增加。獲得汽車應(yīng)用認證的隔離技術(shù)，正是跨越典型電池組內(nèi)如此眾多的隔離邊界實現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵因素，ADI公司就能夠提供這種技術(shù)。該技術(shù)的基礎(chǔ)是“磁隔離”，變壓器則采用高性價比標準CMOS工藝以平面方式制造(參見圖3)。這有利于將多個隔離通道集成到單個器件中，或者將隔離通道與其它半導(dǎo)體功能，如線路驅(qū)動器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等(例如隔離Σ-Δ調(diào)制器AD7400)集成于一體。

  圖3. 四通道隔離器ADuM1402功能框圖
  不像光耦合器，這些iCoupler®數(shù)字隔離器的性能在汽車整個使用期限內(nèi)都不會下降，可以適應(yīng)因季節(jié)變化經(jīng)常會遇到的惡劣工作條件。表1所列為最近發(fā)布的系列器件，這些器件已通過AEC-Q100認證，工作溫度最高可達125°C，所用材料與ADI公司iCoupler系列產(chǎn)品中廣泛認可的對應(yīng)器件相同，至今該系列出貨量已超過3億片。表中雙通道、3通道和4通道數(shù)字隔離器系列的數(shù)據(jù)速率最高可達25 Mbps，傳播延遲低至32 ns。
  平面變壓器本身是雙向的，因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數(shù)范圍內(nèi)，驅(qū)動通道和接收通道可以任意組合使用。例如，雙通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或一起可提供7種不同的通道配置(4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1)，確保所有情形下都能采用最佳解決方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。
   
  圖4. ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置
  iCoupler技術(shù)有兩個突出特點：支持高數(shù)據(jù)速率，以及可以采用低電源電流工作。iCoupler通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數(shù)據(jù)速率。采用3V電源工作、數(shù)據(jù)速率最高為2 Mbps時，ADuM140xWS兩端及所有四個通道的總電源電流典型值為1.6 mA(最大值4 mA)。因為在ADuM140xWS的隔離端或“熱”端，電源來自電池本身(通過一個穩(wěn)壓器)，所以低功耗十分重要。監(jiān)控器也采用同一電壓源供電，因此，監(jiān)控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產(chǎn)品均提供小尺寸、薄型、表貼8引腳SOIC_W或16引腳SOIC_W封裝，并且已通過UL、CSA和VDE安全認證。隔離額定值最高可達2.5 kV(有效值)，工作電壓最高可達400 V(有效值)。
  iCoupler技術(shù)孕育出isoPower集成式隔離電源
  iCoupler技術(shù)最激動人心的一項成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中。現(xiàn)在，利用與信號隔離所用的微變壓器相似的技術(shù)，可以跨越隔離柵輸送電源，從而為電池組中的數(shù)據(jù)隔離器提供完全集成的遠程供電解決方案。本地電源供給振蕩電路，它通過一個芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在3.3 V或5 V。隔離端控制器通過產(chǎn)生一個PWM控制信號，對輸出進行反饋調(diào)節(jié)，該控制信號經(jīng)由一個專用iCoupler數(shù)據(jù)通道送回本地端。PWM控制信號調(diào)制振蕩器電路，以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以明顯提高功率和功效比。
  ADuM540xW 是4通道數(shù)字隔離器，內(nèi)置isoPower®集成式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器;輸入電源為5.0 V或3.3 V時，可提供最高500 mW的穩(wěn)壓隔離功率。與標準iCoupler器件一樣，它可提供多種不同的通道配置和數(shù)據(jù)速率。由于isoPower器件利用高頻開關(guān)元件通過其變壓器輸電，因此進行PCB布局時必須特別小心，確保符合電磁輻射標準。有關(guān)電路板布局考量因素的詳細信息，請參考應(yīng)用筆記AN-0971 ：“isoPower器件的輻射控制建議”。ADuM540x系列目前正在進行AEC-Q100認證。