用于高壓、高容量電池系統的低成本isoSPI耦合電路

摘要：本文介紹了一種采用AC耦合方法可以減輕高壓isoSPI系統的成本問題，無需要求磁性元件提供雙重絕緣。用價格不貴、纏繞在繞線管上的共模扼流圈（CMC）組件取代專門的螺旋管型變壓器磁性元件，進一步降低成本。電容器和CMC都是相對扁平的表面貼裝芯片組件，價格富有競爭力，而且其高可靠性經過審查，可用于汽車系統。用于AC耦合的偏置電阻器為監視系統的電介質完整性提供了一種非常有用的途徑。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267436.htm

關鍵詞：isoSPI；高壓；耦合電容器

DOI：1 0.396 9/j.issn.1005-5517.2015.1.017

內置到LTC6804電池組監視器中的isoSPI功能與LTC6820 isoSPI通信接口相結合，可以跨高壓勢壘提供安全可靠的信息傳輸。在通過存儲單元串聯連接產生數百伏電壓的能量存儲系統中，is oSPI尤其有用，這類系統需要徹底的電介質隔離，以最大限度地減少對人員的危害。

在典型isoSPI應用（圖1）中，脈沖變壓器提供電介質隔離，抑制可能對配線系統產生重大影響的共模干擾。用很容易買到、價格不貴的以太網LAN磁性元件就可以實現iso SPI功能，實現該功能的電路一般包括一個改善共模線路噪聲性能的共模扼流圈部分（如圖l所示）以及很有用的100Ω線路終端電阻器和共模去耦電容器。

普通信號變壓器（包括以太網和柵極驅動器型）是用漆包絕緣線纏繞的，這可能有針孔大小的絕緣缺陷，使銅線暴露于空氣之中，這固有地限制了繞組之間的偏置，而繞組間偏置正是對此類變壓器進行認證的依據。在生產中，用高壓（稱為hi-pot篩選）測試這類變壓器，以確定總的絕緣問題，一般為1.5kV。這一絕緣電壓是針對60V長期偏置設定的安全設計裕度，因為在微小腐蝕的環境中，往往需要超過60V的電壓才能在繞組之間構成傳導通路。

問題：高壓=高成本

就400V范圍的電池組電壓而言，良好的設計實踐是，采用加強（雙重）絕緣，用高達3750V或更高的電壓進行hi-pot測試，以此確定變壓器的性能規格。由于所需爬電距離（表面距離）和空隙（空氣間隔）尺寸較大，所以這類變壓器很難找到小型產品，而且相對比較昂貴。isoSPI用于高達lkV的電池系統，這就要求變壓器經過SkV的hi-pot測試，以留出保守的設計裕度。在這種情況下，隔離組件可能很大、很昂貴，而且有損于脈沖保真度。

解決方案：分而治之

一種不采用加強絕緣變壓器的解決方案是，通過將額外的絕緣要求轉移到耦合電容器上，將偏置要求從磁性元件上剝離出來。僅靠電容器就能提供看似完整的隔離選擇，電容器既不提供共模抑制，也不提供變壓器所具備的抗沖擊隔離特性，因此L-C方法實際上是最佳的。采用這種方法時，電容器充電至標稱DC偏置值，讓變壓器處理瞬態問題，而對于瞬態問題的處理，即使普通變壓器也很適合。

耦合電容器用電阻值很大的電阻器偏置，一般連接到變壓器的中央抽頭連接點，如圖2所示。這樣做還有一個好處，如果偏置電阻器的DC電流受到監視，那么任何電介質擊穿都成了可檢測故障。所選擇的電阻值很大，例如10MQ，以使故障電流低于變壓器細線額定值，同時對人員的沖擊損害最小。 將高壓要求從變壓器磁性元件設計中剝離出來以后，就出現了幾種成本相對較低的選擇。一種是僅使用得到批準的以太網變壓器。另一種是使用現成有售的扁平磁性元件，以降低組件高度和組件重量（減輕焊料疲勞問題）。這類變壓器像其他任何組件一樣，可以采用自動化表面貼裝組裝方法安裝，從而降低了生產成本。具備上述特點的一個很好的組件選擇是分立式共模扼流圈（CMC），CMC具備變壓器結構，通常用作濾波組件。這類組件的電感可高達lOOμH，已得到批準以用于汽車系統，因此也成為isoSPI配置希望使用的組件。

適用的CMC價格不貴。CMC是用機器在芯片大小的鐵氧體上纏繞線對而成，可簡便快速地生產。盡管為了使持續時間較長的脈沖波形有效通過，isoSPI設計需要略高一點的電感，但是可以通過使用兩個扼流圈來得到充足的電感，讓兩個扼流圈的繞組串聯，就可產生200μH電感。這還帶來了一個額外的好處，即基本上構成了中央抽頭連接，這對共模偏置和去耦功能很有用。

圖3顯示了用兩個CMC實現的等效變壓器模型。圖中所示扼流圈的占板面積為1812 SMT，采用雙線繞組（纏繞時使用成對導線），因此主邊和副邊是嚴密匹配的，從而最大限度地減小了漏電感，因此保持了良好的高頻性能。變壓器如果采用物理上分開的繞組，脈沖保真度較差，因為漏電感太大。圖中所示變壓器具備50VDC額定值。

完整電路

圖4顯示了采用L-C解決方案和以CMC為變壓器的完整電路。既然通常的isoSPI應用包括非常有益的CMC濾波部分f采用標準LAN組件時，這部分是集成在內的），所以圖4電路包括一個建議采用的分立式組件，以保留濾波功能。耦合電容器是lOnF至33nF的高質量組件，占板面積為1812 SMT f額定值為630V或lkV）。這里我們假定，LTC6820以機架地電位工作，以使雙絞線的偏置處于安全水平。

當雙絞線對的兩個端子都處于浮置地電位時，如同菊花鏈式連接的LTC6804-1模塊之間的鏈路那樣，就可以在鏈路的兩個端子上使用電容器，線對本身也可以通過連接到每條線上的高阻值電阻器偏置到“地”電位，如圖5所示。因為圖中電容器是串聯的，那么建議至少使用22nF電容器（圖中所示為33nF/630V）。

在同一塊電路板上以菊花鏈方式連接的LTC6804-1之間的鏈路不需要任何電容器耦合，因為其電位通常<50V，而且由于沒有電纜，進入的噪聲小得多，所以常常僅需要單個變壓器（圖6）。高壓布局

印刷電路板布局應該跨主要電解質勢壘（即電容器）設置很寬的隔離間隔。圖7顯示了一種組件布局實例，圖中電路可提供良好的高壓性能，藍色區域代表機架地f左邊具備雙絞線連接器）和IC公共接口（右邊）。

請注意，變壓器必須承受HV瞬態電位，因此圖中也用1206大小的偏置電阻器保持空隙。HF去耦電容器和阻抗終端電阻器可以是小型組件（如圖所示為0602大小）。

另一種避免跨HV勢壘產生漏電流的良好做法是，在HV組件（跨地線之間“縫隙”的組件）區域抑制阻焊層。這為有效沖洗組件下方的剩余焊劑提供了方便，并避免濕氣滯留在多孔阻焊層中。

需要特殊考慮的isoSPI總線問題

前述電路適用于點對點iso SPI鏈路，但是提供高壓解決方案時需要應對的重要問題之一是連接到總線的可尋址LTC6804-2，該器件的雙絞線鏈路通過每一個“抽頭”連接點，如圖8所示。總線應用對所有變壓器都有高壓要求，因為同一個雙絞線電位必須與浮置電池組的任何電壓接口。

與前述相同，這里也用CMC和AC耦合電容器增強絕緣性，但是我們建議采用略有不同的耦合電路，以衰減大量反射信號，為通信器件提供一致的波形，而不論這些器件在網絡中的物理位置。不同之處有3種：

LTC6820終端變為lOOpF電容器（CT）。

遠端終端僅用于運行中的總線（RT），并設定為68Ω（任何LTC6804-2都沒有終端）。 所有總線連接都采用22Ω耦合電阻器（RC），以對雜散容性負載去耦。

這些差別都顯示在圖8所示電路中、該電路再次假設LTC6820以安全的“大地”電位工作。修改后的波形是帶限的，以控制反射信號引起的失真、因此IC引腳處接收到的脈沖看似更加圓滑，如圖9所示，不過isoSPI脈沖鑒別器電路可以很好地運用這種修改后的波形，支持總共提供16個地址的總線。視給定系統中遇到的實際損耗的不同而不同，也許有必要降低脈沖檢測門限，以實現最佳工作狀態（將門限設置為差分信號峰值的40%至50%）。

請注意，就地址數量少于等于5個的網絡而言，信號反射一般不是重要的問題，因此可以保留標準電阻性終端（即在圖8中的CTERM和RTERM位置放置100Q電阻器，而RC則省略掉）。