使用0级数字隔离器解决高温隔离设计难题

作者：Neel Seshan

因为汽车工业继续在混合电动汽车（HEV）中采用48V系统，车载网络对信号隔离的需求变得更加重要。如果对低压电路没有进行可靠、有效的保护，高电压的特性和优势就会大大降低。

但是，了解到需要在48V车辆中隔离高压事件信号只是成功了一半。与纯电动汽车（EV）不同，HEV除使用电池系统外，还使用传统的内燃机（ICE）。ICE产生的高温通常超过125°C。为了能够在这样的环境中可靠运行，汽车系统及其组成部件必须能够承受汽车电子协会（AEC）-Q100“基于封装集成电路应力测试认证的故障机理”中定义的高温。

AEC-Q100标准概述了设计用于汽车系统的集成电路（IC）为实现可靠运行而必须满足的规格。由于汽车系统经常会受到温度变化的影响，因此AEC-Q100标准的关键规格是集成电路的环境工作温度范围。AEC-Q100根据不同温度等级概述了汽车级IC的工作温度范围，如表1所示。

表1：AEC-Q100定义的汽车等级

作为AEC-Q100定义的最宽温度范围，0级器件通常为高温系统而设计（例如48V HEV），因为这些车辆会因使用ICE偶尔达到125°C以上的温度。

由于电动汽车没有ICE，在大多数情况下，环境工作温度通常不会超过125°C，因此，额定为1级的器件足以解决问题。

用0级数字隔离器保护低压电路

让我们查看一些用例，以更好地说明0级器件在隔离车载网络信号时的优点，特别是针对数字隔离器。数字隔离器通常用于不同的电压域（例如48V和12V）之间，以保护低压侧电路不受高压侧电路的影响，并减少高压共模噪声对低压侧信号的影响。

图1所示的启动器/发生器 是一个示例，其中0级数字隔离器（例如ISO7741E-Q1）, 可以降低设计复杂性，同时在高温环境中增加信号保护。在启动器/发生器中，数字隔离器和0级控制器区域网络灵活数据速率（CAN FD）收发器（例如TCAN1044EV-Q1）可以将数据从系统的48V侧传输到12V侧。48V电气系统紧邻ICE；因此，48V系统上的任何温升都会影响位于48V和12V侧之间接口边缘的隔离器。这些系统的温度在短时间内会从125°C升高到150°C，通常受任务曲线或工作温度曲线的限制，这因汽车制造商而异。

图1：数字隔离器可保护48V启动器/发生器系统的低压侧

可能会受益于更高温度等级的数字隔离器的其他应用，包括48V混合动力汽车中的水泵、冷却风扇、烟灰传感器和牵引逆变器。这些系统大多使用数字隔离器以及收发器（在大多数情况下为CAN、CAN FD或本地互连网络 [LIN] 通信协议）作为通信接口。图2所示为带有隔离器的暖通空调（HVAC）压缩机模块，该隔离器用于从高压侧MCU到低压侧通信接口电路板的通信。

图2：数字隔离器可保护48 V HVAC压缩机模块的低压侧

如果数字隔离器在超过其操作限值的温度下使用，则可能导致系统时序规格降级，倘若隔离器停止运行，则可能导致无法通信。对于像起动发电机这样的关键系统，这两种情况都不可取。确保随时通信的标准方法是使用可以减少热量的液体和空气冷却系统，并使IC温度保持在其工作限值以下。但是，精心设计的空气冷却系统可能会导致冷却系统设计成本、空间和重量增加。使用能够满足更高环境工作温度的集成电路可以减轻冷却系统的负担，使其更简单、更具成本效益。

包括ISO7741-Q1在内的大多数合格汽车数字隔离器均满足-40°C至125°C的1级温度范围要求，适用于许多汽车应用。但是，在高温系统中，与本文中讨论的用例类似，0级器件（例如ISO7741E-Q1）将为HEV/EV设计人员提供替代的数字隔离解决方案。该解决方案可减少物料清单并缩短产品上市时间，且不会损害系统性能。