使用隔離放大器因應電動車中精準電壓感測的挑戰

電動車 (EV) 和油電混合車 (HEV) 的設計人員需要因應更高效能、更快充電、更高效率的市場需求。有多種電子功能有助於滿足這些需求，其中之一是藉由精確感測電壓，達到最佳功率控制。

汽車應用具有更高的挑戰，其電力電子設備會處於極端溫度之中，並且需要適當隔離高電壓，還必須在此環境下可靠地運作數十年。這些應用的電壓感測電路必須具備高頻寬、低誤差和漂移以及高共模暫態耐受性 (CMTI)，同時滿足 AEC-Q100 等汽車標準。這些需求對電動車和油電混合車的關鍵組件尤其相關，包括逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器。

變壓器架構的隔離放大器非常適合這些應用。這些元件採用先進技術，因此儘管暴露於惡劣條件下數十年，仍能保有卓越的效能。

本文說明隔離放大器的工作原理。接著介紹一個變壓器架構的範例。此範例使用 Analog Devices 的 iCoupler 技術，文中將回顧其在 EV/HEV 開發中的潛在應用，並介紹一款評估板協助開發設計。

變壓器架構隔離放大器的工作原理

隔離放大器是專用的差動放大器，可在輸入和輸出電路之間提供電氣隔離。此類型的隔離能透過多種方式達成，但變壓器架構隔離放大器 (如圖 1 的 ADuM3195) 可為 EV/HEV 應用提供獨特優勢。

圖 1：ADuM3195 隔離放大器採用變壓器架構進行隔離。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

變壓器架構的設計係透過變壓器耦合達到隔離效果。操作的基本原理涉及下列步驟：

1. 輸入訊號轉換為高頻載波訊號。
2. 接著將此載波訊號透過一個變壓器跨隔離阻障層傳輸。
3. 在變壓器的二次側，從載波重建原始訊號。

變壓器有兩個重要功能。可在輸入和輸出電路之間提供電流隔離，以便安全測量高電壓並保護敏感電路。此外，還可以跨越隔離阻障層進行訊號傳輸，無需直接電氣連接。

變壓器架構的隔離為電壓感測應用提供顯著優勢。這些放大器可有效抑制共模電壓，在充滿雜訊的電氣環境中是一項重要的功能。此外，其現代化設計可達到寬廣頻寬，適合許多電力電子應用。

平面微型變壓器在隔離放大器中提供的效能優勢

iCoupler 由 Analog Devices 開發，展現隔離放大器設計的進步。iCoupler 元件具有典型直徑約 0.5 mm 的平面微型變壓器，可達到極為緊湊的解決方案。此小尺寸還可提供對外部磁場的固有抵抗力，提高可靠性。

iCoupler 的效能核心是聚醯亞胺絕緣層 (圖 2)。此絕緣材料具有較高的熱穩定性和機械穩定性，能讓此元件異常耐用。此元件可耐受超過 10 kV 的突波電壓，並且在 400 V_RMS 下連續運作，提供長期可靠性。

圖 2：iCoupler 的效能核心是聚醯亞胺絕緣層，可提供高熱穩定性和機械穩定性。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

iCoupler 技術的基本特點之一是能夠在高頻下運作，支援高達每秒 150 Mbits/s 的資料傳輸。一部份是透過高效率的訊號編碼方法達成。資料編碼為 1 ns 脈衝，達到快速資料傳輸和低功耗，通常每通道低於 1 mA (圖 3)。

圖 3：高效率的編碼方法可讓 iCoupler 元件以 150 Mbits/s 的速度傳輸數據，且每通道的電流消耗通常小於 1 mA。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此外，iCoupler 元件整合輸入尖波濾波器，可降低雜訊並確保乾淨的訊號傳輸，藉此增強在具有電磁雜訊的汽車環境中的效能。

汽車級隔離放大器的主要特點

iCoupler 技術已實作於多款元件中，包括 ADuM3195WBRQZ 隔離放大器。此為 ADuM3195 的 AEC-Q100 相容版本，專為汽車環境所設計。其隔離電壓為 3,000 V_RMS 、25°C 時的輸出偏移電壓為 ±6 mV (最大值)、增益誤差為 ±0.5% (最大值)、頻寬為 210 kHz、增益漂移為 ±27 ppm/°C (最大值)，偏移漂移為 -22 μV/°C (典型值)。此元件的 CMTI 為 150 kV/μs (典型值)、工作溫度範圍為 -40°C 至 125°C，具有可配置增益設定，並採用 16 引腳 QSOP 封裝。

這些特點讓 ADuM3195WBRQZ 適合在高挑戰的汽車應用中進行精確隔離電壓測量，包括：

• 電池管理系統 (BMS) 的電壓監控
• 電源供應器的回授迴路
• 逆變器和馬達驅動系統

ADuM3195WBRQZ 具有高準確度、寬廣頻寬、低功耗和強大的隔離功能，因此成為 EV/HEV 系統中非常有效率的電壓感測解決方案。

逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器的隔離放大器要求

ADuM3195WBRQZ 隔離放大器可解決 EV/HEV 電源系統中的關鍵挑戰，包括逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器。

其 210 kHz 頻寬可達到低於 5 μs 的響應時間，這對於高效率充電、精確逆變器控制，以及降低 DC/DC 轉換器中的電壓漣波都非常重要。此高頻寬還允許使用更小的被動元件，並支援寬能隙元件整合，因此可提高整體系統效率和功率密度。

ADuM3195WBRQZ 的高阻抗輸入可將與測量相關的功率損耗降至最低，並穩定轉換器和逆變器的運作。減少電流消耗可以降低輔助電路的壓力，提高系統可靠性。

ADuM3195WBRQZ 具有耐高溫特性，因此可放置在電動馬達、車載充電器和再生煞車系統等發熱組件附近，協助防止熱失控、管理熱循環，並且避免電力電子設備中出現熱點。

針對處理各種輸出電壓的 DC/DC 轉換器，ADuM3195WBRQZ 的低偏移誤差和偏移漂移可確保在整個溫度變化範圍內提供準確的電壓回授。其高準確度有助於進行精確控制、減少漣波並提升傳動系統效能。

ADuM3195WBRQZ 的 3,000 V_RMS 隔離電壓可保護低電壓電子設備和人員免受高壓系統 (高達 400 V) 影響。可在電動車電池系統的功率級和控制電路之間提供有效的雜訊抑制，同時與低壓系統 (12/48 V) 介接。

ADuM3195WBRQZ 符合這些關鍵要求，可增強 EV/HEV 電源系統的效能、效率和安全性。

值得一提的是，ADuM4195可滿足更高電壓的系統要求，提供高達 5,000 V_RMS 的隔離電壓和高達 800 V 的低壓電子保護。

快速開始 ADuM3195 開發

EVAL-ADuM3195EBZ (圖 4) 是一款緊湊型評估板，用於測試和評估 ADuM3195 隔離放大器的效能特性。這是一款隔離式電壓監控板，可針對直流和交流測量進行配置。此板件已預先配置，可處理高達 1,000 V_DC (連續) 的輸入電壓。

圖 4：EVAL-ADuM3195EBZ 評估板用於 ADuM3195 的設定和測試。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

EVAL-ADuM3195EBZ 評估板具備的功能有助於快速開發 EV/HEV 應用：

• 高壓隔離和測量：此板件可安全測量高達 1,000 V 的高直流電壓，這對於 EV/HEV 電池系統特別重要。這能讓開發人員監控電池組電壓、測量 BMS 中的單一電池電壓，並且與高壓直流匯流排線路介接。
• 可設定的輸入範圍：可調整輸入分壓器，因應 EV/HEV 系統中常見的各種電壓範圍。例如，電動車通常採用 400 V_DC 匯流排，較新的電動車架構則採用 800 V 系統，而 48 V 輕度混合動力系統則有較低的電壓範圍。
• 交流測量功能：經過少量修改，該板件可測量交流電壓，有助於監控馬達驅動逆變器輸出、測量交流充電系統，以及分析高壓線路上的電磁干擾 (EMI)／雜訊。
• 低功率選項：針對降低功耗，需要慎用能源時，電源停用 (PDIS) 輸入可以停用內部電源供應器。

結論

電動車和油電混合車的設計人員需要在各個子系統中進行精確感測，以達到效能和效率目標。微變壓器架構的隔離放大器 (如符合 AEC-Q100 標準的 ADuM3195WBRQZ) 非常適合此應用。其兼具高效能、小型化、長壽命的優點，可滿足關鍵設計需求。此隔離放大器的相關評估板可協助設計人員快速開始設計並運作。