Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Mitronik
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Izolatory cyfrowe: problemy aplikacyjne w pojazdach elektrycznych

ghost666 26 Wrz 2013 15:09 2646 0
  • Podczas projektowania rozwiązań dla pojazdów xEV (pojazdy elektryczne) jednym z wyzwań stawianym przed inżynierem zajmującym się projektem systemu jest komunikacja przez barierę izolacji galwanicznej pomiędzy systemem zasilanym z wysokonapięciowych akumulatorów a niskonapięciowym sterowaniem całego systemu. Problem ten pojawia się na wielu polach, takich jak zarządzanie napięciem poszczególnych cel akumulatora, monitorowanie prądu akumulatorów czy też kontrola silników elektrycznych. Typowa aplikacja systemu zarządzania akumulatorami (BMS) pokazana jest na poniższym schemacie blokowym. Ten system zostanie wykorzystany do omówienia przykładowej aplikacji izolacji galwanicznej oraz problemów z nią związanych wraz z podaniem przykładowych rozwiązań.

    Izolatory cyfrowe: problemy aplikacyjne w pojazdach elektrycznych


    W aplikacji systemu BMS projektant staje przed koniecznością znalezienia rozwiązania umożliwiającego szybką komunikację pomiędzy różnymi układami scalonymi po obu stronach bariery izolacji galwanicznej. Dla przykładu załóżmy że w naszej aplikacji tymi szybkimi sygnałami cyfrowymi będzie magistrala SPI, używana do komunikacji pomiędzy kontrolerem systemu BMS a układami elektronicznymi służącymi do monitorowania stanu akumulatorów systemu zasilania pojazdu. Bariera izolacji galwanicznej musi zapewnić ochronę układów cyfrowych kontrolera przed wysokim napięciem baterii. Kontroler pracuje w zakresie napięć typowych w przemyśle motoryzacyjnym, wynoszącym typowo 12 V, natomiast napięcie baterii akumulatorów wynosi wynosić może aż do 500 V. Bariera izolacji galwanicznej musi pracować niezawodnie aż do poziomu przepięć które powstawać mogą w systemie zasilania, po stronie wysokonapięciowej. Bariera izolacji galwanicznej w takim układzie jest szczególnie istotna nie tylko dlatego że chroni układy po stronie niskonapięciowej, znajdujące się w samochodzie, ale chroni także (a może przede wszystkim) osoby znajdujące się w pojeździe przed porażeniem wysokim napięciem akumulatorów.

    W celu ustaleniu wymagań bariery izolacji galwanicznej projektanci tego typu systemów mogą odnieść się do stosownych norm i standardów, gdzie znajdują się wytyczne dotyczące izolacji galwanicznej w pojazdach elektrycznych. Z drugiej strony podczas doboru elementów elektronicznych inżynierowie stoją przed ciężkim wyborem i muszą analizować wiele parametrów układów i systemów izolacji galwanicznej. Są to, między innymi, zużycie mocy, obszar zajmowany na PCB, szybkość przesyłu danych oraz jego niezawodność a także parametry związane z samą izolacją, takie jak poziom zapewnianej izolacji oraz awaryjność układu przez cały czas projektowanego życia pojazdu. W poniższym artykule omówimy kwestie związane z poborem prądu oraz obszarem zajmowanym na PCB przed różne układy stosowane do zapewnienia izolacji galwanicznej w systemie tego typu.





    Jako że mamy już wyszczególnione dwa interesujące nas parametry - zużycie prądu i wielkość - możemy przejść do doboru elementów elektronicznych. Aby zapewnić izolację galwaniczną w układzie stosowane są różne technologie. Dwoma podstawowymi, które będziemy tutaj rozpatrywać są sprzęgi optyczne, wykorzystujące transoptory oraz izolatory cyfrowe, wykorzystujące zazwyczaj sprzęg magnetyczny (indukcyjny) lub pojemnościowy. Transoptory działają na zasadzie generacji światła, które następnie przechodzi przez przeźroczystą izolację galwaniczną i jest zbierane przed fotodetektor, natomiast omawiane tutaj izolatory cyfrowe wykorzystują mikrotransformatory, wykonywane w technologii CMOS w strukturze układu, które zapewniają izolację galwaniczną w układzie.

    Pierwszym wyzwaniem przed którym stają układy jest minimalizacja poboru prądu przez układ. W ramach tego wyzwania istnieją dwa zagadnienia - pobór prądu uśpienia (tj, gdy układ nie jest w ogóle wykorzystywany) oraz pobór prądu w czasie pracy układu. Prąd który pobierany jest przez układ w czasie gdy nie jest on wykorzystywany jest głównym obszarem zainteresowania podczas doboru układów, gdyż prowadzi on do powolnego rozładowywania akumulatorów gdy pojazd nie jest wykorzystywany. Pobór prądu podczas pracy układu nie jest aż tak problematyczny, jednak też jest pewnym wyzwaniem, szczególnie gdy zsumuje się cały prąd pobierany przez układy elektroniczne samochodu w jednej chwili. W obu przypadkach chodzi o to żeby zminimalizować pobór prądu. Aby rozwiązać problem minimalizacji poboru zasilania wyłączonego systemu BMS można zaprojektować go z wykorzystaniem układu zasilania z wejściem wyłączającym zasilanie dla niekrytycznych elementów systemu. Rozwiązanie takie niemalże w pełni likwiduje ten problem. Jeśli chodzi natomiast o pobór prądu w czasie pracy przez układu różnica pomiędzy poborem izolatorów cyfrowych a transoptorów jest znaczna. Zakładając interfejs SPI o taktowaniu 1 MHz w systemie monitorowania stanu akumulatorów izolator cyfrowy, taki jak ADuM1401 pobiera zaledwie 2,4 mA po stronie niskonapięciowej i 1,4 mA po stronie wysokonapięciowej, zakładając cztery kanały przesyłu sygnałów potrzebne do działania interfejsu SPI. Wartość ta jest stała w dowolnych warunkach spotykanych w pojeździe przy zasilaniu 5 V i zakresie temperatur od −40 °C do +125 °C. Analogiczne rozwiązanie oparte o transoptory potrzebuje co najmniej 4 mA na kanał przesyłu danych, jednakże trzeba brać pewien zapas na wahania napięcia zasilającego (5 V) oraz zmiany w pobieranym prądzie wynikające z współczynników termicznych. Oznacza to iż bezpieczną wartością jest 10 mA na kanał, co oznacza 30 mA po stronie niskonapięciowej i 10 mA po stronie wysokonapięciowej dla samej tylko komunikacji z wykorzystaniem interfejsu SPI. Izolatory cyfrowe, takie jak ADuM1401, wykazują tutaj poważną przewagę nad klasycznymi rozwiązaniami opartymi o transoptory.

    Drugim wyzwaniem jest kwestia mechaniczna, czyli minimalizacja pola powierzchni płytki PCB zajmowanej przez układy izolacji galwanicznej. Powierzchnia płytki drukowanej jest cennym dobrem dla elektroników zajmujących się projektowaniem systemów BMS, jako że układy te muszą zmieścić się w bardzo ograniczonej przestrzeni dostępnej w pojeździe. Odstęp pomiędzy sygnałami po obu stronach izolacji galwanicznej jest definiowany przez odpowiednie normy, zatem projektanci muszą trzymać się opisanych tam wytycznych jeśli chodzi o projekt druku. W dalszej części artykułu zajmiemy się porównaniem aplikacji opartej o cyfrowy izolator firmy Analog Devices z klasyczną aplikacją opartą o transoptory pod kątem powierzchni zajmowanej na PCB.

    Układ ADuM1401, będący sercem aplikacji opartej o izolator cyfrowy produkowany jest w obudowie SOIC_W (tj. szerokiej - przyp. tłum) z 16 wyprowadzeniami. Obudowa ta jest standardową obudową, której wymiary definiowane są przez JEDEC jako 10,3 mm x 10,3 mm. Zatem pole powierzchni zajmowane przez ten układ wynosi około 106 mm². Analogiczne rozwiązanie oparte o transoptory wymaga zastosowania czterech układów, produkowanych w obudowie SOIC z 5 wyprowadzeniami. Obudowa taka, według standardu JEDEC, charakteryzuje się wymiarami 7 mm x 3,6 mm, zatem każdy z takich układów zajmuje 25,2 mm². Cztery takie układy muszą zostać umieszczone na PCB, dodatkowo pamiętać należy o odstępie wymaganym do umieszczenia ich na PCB, który wynosi 1,2 mm. Podsumowując tą część obszar zajęty przez same transoptory wynosi 134,5 mm². Już na tym etapie analizy widać różnicę 28 mm² pomiędzy dwoma rodzajami układów. Jednakże pamiętać należy iż układy te nie działają samodzielnie, ale potrzebuję szereg elementów dodatkowych, wymaganych do pracy systemu. W przypadku izolatorów cyfrowych, ADuM1401 do poprawnej pracy wymaga dwóch kondensatorów odsprzęgających. Zakładając obudowy 0603 dla tych elementów dochodzi dodatkowe 2,5 mm² powierzchni zajęte przez aplikację. W przypadku aplikacji transoptorów dodać trzeba cztery oporniki (5,1 mm²), cztery kondensatory ( 5,1 mm²) oraz cztery drivery diod LED (33 mm²) jako że większość mikrokontrolerów nie jest w stanie bezpośrednio z pinów GPIO wysterować diody wymaganym prądem dochodzącym do 10 mA. Na tym etapie widać już ogromną przewagę aplikacji wykorzystującej izolator cyfrowy, jeśli chodzi o zajmowaną powierzchnię na płytce drukowanej.

    Kolejną kwestią wartą rozważenia, związaną z zagadnieniem zajmowanej powierzchni laminatu jest kwestia zasilania układów znajdujących się po stronie wysokonapięciowej bariery izolacji galwanicznej. W aplikacji systemu BMS pożądane jest zrównoważone zużycie prądu przez układy zasilane z poszczególnych akumulatorów w baterii.

    W przypadku rozwiązania opartego o transoptory potrzebna jest dodatkowa izolowana przetwornica DC-DC, w celu zapewnienia zasilania układów po stronie wysokonapięciowej, co wydatnie zwiększa, i tak już duże, pole powierzchni zajmowane przez samą aplikację. W przypadku izolatorów cyfrowych sprawa jest bardziej kompleksowa, gdyż projektant układu może wykorzystać układy takie jak na przykład ADuM5401, które oprócz czterech izolowanych kanałów cyfrowych dla interfejsu SPI posiadają zintegrowaną przetwornicę DC-DC, która może zasilać układy po stronie wysokonapięciowej. Co więcej układy te produkowane są w takich samych obudowach jak ADuM1401, co oznacza utrzymanie pole powierzchni analizowanej aplikacji na tym samym poziomie. Użycie izolatora cyfrowego zatem pozwala poważnie oszczędzić miejsce zajmowane na PCB, co ilustruje porównanie na poniżej ilustracji.

    Izolatory cyfrowe: problemy aplikacyjne w pojazdach elektrycznych


    Podsumowując - izolatory cyfrowe pozwalają na łatwe rozwiązanie szeregu problemów w aplikacjach izolacji galwanicznej w systemach kontroli akumulatorów w pojazdach zasilanych elektrycznie. Używając izolatorów cyfrowych firmy Analog Devices możliwe jest zmniejszenie poboru prądu przez układ oraz zminimalizowanie miejsca zajmowanego przez aplikację na płytce drukowanej.
    Źródła:
    http://www.analog.com/static/imported-files/t...es-in-Automotive-xEV-Applications-MS-2389.pdf

    http://johndayautomotivelectronics.com/digita...gn-challenges-in-automotive-xev-applications/


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Mitronik