2020/06/11

作者:  德州儀器隔離系列產品市場經理 Neel Seshan

 

隨著48-V系統混合動力汽車在汽車業界日益普及,車內網路訊號隔離需求更顯重要,若無法有效且可靠地保護低電壓線路,使用較高電壓的優勢將大打折扣。

 

但光是在48-V車輛的高電壓活動裡隔離訊號還不足夠,因為混合動力汽車與純電動車不同,除了電池系統外,亦設有傳統內燃引擎,可產生攝氏125度以上的高溫,為了在如此環境中穩定運作,車載系統及其元件必須能承受高溫,「汽車電子協會(AEC)」亦為此制定「封裝晶片故障機制壓力測試規格( (AEC)-Q100)」。

 

混合動力汽車/電動車系統溫度高達攝氏150度也無須擔心

ISO7741E-Q1為業界首創的AEC-Q100 Grade-0 數位隔離器,可節省車載設計所需時間、成本和空間,因應週邊運作溫度可達攝氏125度以上。


 

 

何謂 AEC-Q100標準?

AEC-Q100標準明確列出車載系統晶片穩定運作必須符合的規格。由於車載系統內的溫度波動變化,AEC-Q100標準的重要規格便為晶片週邊運作溫度範圍,AEC-Q100依據不同溫度等級,制訂合格車載晶片的運作溫度範圍,如表一所示。

等級

周邊運作溫度範圍

Grade 0 (或A)

-40°C to +150°C

Grade 1 (或Q)

-40°C to +125°C

Grade 2 (或T)

-40°C to +105°C

Grade 3 (或I)

-40°C to +85°C  

Grade 4 (或C)

-40°C to +70°C  

 

表一:AEC-Q100定義的車載等級

 

AEC-Q100定義的溫度範圍中,Grade-0 涵蓋最廣,通常是為48-V混合動力車等高溫系統設計,由於使用內燃引擎,車輛溫度將可能超過攝氏125度。

 

然而電動車無內燃引擎,週邊運作溫度大多不會超過攝氏125度,故 Grade-1 額定裝置便已足夠。

 

Grade-0 數位隔離器保護低電壓線路

從以下幾種用途中,可說明在隔離車內網路訊號時,尤其是使用 Grade-0 數位隔離器的優點,數位隔離器常用於不同電壓領域之間(如48-V和12-V),以保護低電壓側的線路,並降低高電壓共模雜訊對低電壓側訊號的衝擊。若需瞭解如何在混合動力車/電動車內隔離CAN FD通訊,請見「符合混合動力車/電動車隔離CAN系統內的CAN FD時脈需求」應用筆記。

 

圖一當中的啟動器/發電機,若使用ISO7741E-Q1等 Grade-0 位隔離器,可降低設計複雜度,同時在高溫環境中提升訊號保護,在啟動器/發電機、數位隔離器,以及TCAN1044EV-Q1等 Grade-0 控制區域網絡彈性資料率(CAN FD)收發器中,可從系統的48-V側傳輸資料至12-V側,48-V電子系統位置鄰近內燃引擎,故48-V系統溫度上升時,會影響到48-V側與12-V側之間介面邊緣的隔離器。依據各家車廠不同,在不同任務或運作溫度情況下,系統溫度可能在瞬間突破攝氏125度,甚至達到攝氏150度。

圖一:數位隔離器保護48-V啟動器/發電機系統的低電壓側

 

其他應用也可能因數位隔離器溫度等級較高而受益,如48-V混合動力汽車的水泵浦、冷卻風扇、煤煙感測器、牽引逆變器等。多數系統使用數位隔離器,搭配收發器(大多為CAN、CAN FD或區域互聯網路 [LIN] 通訊協定)做為通訊介面。圖二為暖通空調(HVAC)壓縮器模組,使用隔離器做為通訊,從高電壓側的MCU傳輸至低電壓側的通訊介面板。

圖二:數位隔離器保護48-V HVAC壓縮器模組的低電壓側

 

若數位隔離器所在溫度超過運作上限,可能導致系統時脈規格下滑,或隔離器停止而無通訊。兩種情況都不利於啟動器/發動機等重要系統;為確保通訊持續不斷,一般是使用液體或空氣冷卻系統減少熱能,讓晶片溫度低於運作上限,但若設計空氣冷卻系統,會導致冷卻系統設計成本、空間和重量等增加,如果晶片可承受較高的週邊運作溫度,便能減少冷卻系統負擔,不僅較簡單,也更符合成本效益。

 

ISO7741-Q1等多數合格的車載數位隔離器,均符合攝氏負40度至攝氏125度的 Grade-1 溫度範圍要求,也適合許多車載應用。但在本文所舉例的高溫系統等用途中,ISO7741E-Q1 Grade-0 裝置可協助混合動力汽車/電動車設計師,提供替代性的數位隔離解決方案,可縮短物料清單和產品上市所需時間,且無需犧牲系統效能。