本文以凌力爾特公司的isoSPI兩線適配標準串行外設接口(SPI)來說明如何在汽車電源電路這類高壓電池管理系統(tǒng)設計中，同步解決噪聲抑制和實現(xiàn)高效數據通信的挑戰(zhàn)。
使電池組實現(xiàn)可靠性、高性能和長壽命是電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要目的。為此，電池管理電子電路需測量每節(jié)電池的電壓，并將測得的數據發(fā)送到中央處理器。就大型高壓電池串而言，例如典型的汽車動力傳動系統(tǒng)所用的電池串，模塊化、分布式電池組是一種富有吸引力的選擇。電池模塊可以作為基本構件用于多種電池組設計。模塊化設計還有助于優(yōu)化重量分布，最大限度利用可用空間。模塊化電池組的最大挑戰(zhàn)是，需要通過數據鏈路使電池組作為單一單元運行。
對數據通信鏈路而言，有電氣噪聲的環(huán)境是個巨大的挑戰(zhàn)，例如典型的汽車環(huán)境。盡管CANbus鏈路與隔離相結合可充分抑制噪聲，但是這種解決方案太復雜、成本很高。本文以凌力爾特公司的isoSPI兩線適配標準串行外設接口(SPI)來說明如何在汽車電源電路設計中，同步解決噪聲抑制和實現(xiàn)高效數據通信的挑戰(zhàn)。
isoSPI接口可將1Mbps的全雙工SPI信號轉換成差分信號，然后再通過雙絞線對和一個簡單、低成本的變壓器傳送這個差分信號。這個接口已經應用在凌力爾特的電池組
監(jiān)視器方案中，用來測量電池組中電池的電壓。
下文將以凌力爾特的12節(jié)電池監(jiān)視IC LTC6811做例子，該芯片具有兩個isoSPI端口。這兩個端口能實現(xiàn)多個LTC6811器件的菊花鏈互連，以監(jiān)視很長的高壓電池串。通過isoSPI，含有多節(jié)電池的電池模塊能夠與相距很遠的主控處理器通信。
isoSPI接口的工作過程
isoSPI接口通過一個“平衡的”線對傳送差分信號，兩條線都不接地。這樣配置后，通過外部EMI傳遞到兩條線上的“共模”噪聲幾乎相同，而所傳送的差模數據信號則相對不受影響。isoSPI接口在器件之間用一個纖巧的變壓器對差分信號進行磁耦合和電氣隔離。這樣就屏蔽了每個器件，以免受到大的系統(tǒng)噪聲所導致的較大共模電壓擺幅的影響，同時能夠跨越介電質勢壘發(fā)送重要的差分數據。已取得巨大成功的以太網雙絞線對標準也采用了與此相同的方法。此外，由于電氣隔離，所以電池組之間盡管存在很大的DC電壓差，但是仍然能夠互連。選擇變壓器的原則很簡單，只要DC隔絕電壓合適即可。圖1顯示了理想化的isoSPI差分波形，無DC電壓的脈沖信號之后經變壓器耦合，不會損失數據。脈沖的寬度、極性和時序用來表示常規(guī)SPI信號的各種狀態(tài)變化。
圖1：用isoSPI差分信號的不同形態(tài)表示雙絞線對上傳送的SPI信號的狀態(tài)變化。
所有這些isoSPI特性都是特意指定的，以確保無差錯傳送數據，并通過嚴格的大電流注入(BCI)干擾測試。實際上，凌力爾特測試顯示，在超嚴酷200mA BCI情況下，isoSPI可釋放全部性能潛力，而且在主要汽車公司的測試也得到了相同結果，因此isoSPI鏈路用于車輛底盤束線配線完全合格。如果模塊間必須通信，那么這就是一個必須滿足的關鍵要求，而且既然最終需要電氣隔離以保證安全，所以isoSPI還可以顯著降低成本。
用isoSPI降低復雜性
通過將電池連至一個模擬前端(AFE)器件，可以構成一個BMS。多個AFE器件可以互連，之后通過CANbus鏈路連至一個中央處理器。圖2(a)顯示了這樣的結構，其中僅顯示了兩個支持常規(guī)SPI數據連接的AFE器件。為提供實現(xiàn)安全性和數據完整性所需的電氣隔離，每個AFE都需要一個專用的數據隔離器。就隔離每個電池組與主控微處理器和CANbus網絡而言，可以用磁、電容或光隔離方式實現(xiàn)電氣隔離。使用SPI時，4個SPI信號中的每一個都需要隔離，這意味著巨大的成本。
(a)
(b)
圖2：常規(guī)BMS隔離與isoSPI方法。
圖2(b)電路功能相同，但用isoSPI實現(xiàn)。小型、低價變壓器取代了數據隔離器，在主處理器組件與電池組電位之間提供電氣勢壘。在主控微處理器端，一個小型適配器IC提供isoSPI主控制器接口。圖中所示ADC單元集成了isoSPI從屬支持功能，因此惟一所需的附加電路是平衡傳輸線結構所需之合適的無源終止組件。盡管圖2僅顯示了兩個AFE器件，不過在單條擴展isoSPI總線上，可以容納多達16個AFE器件。
圖3：采用isoSPI菊花鏈方式連接的流行BMS配置。
支持多分支總線或點對點菊花鏈連接
isoSPI鏈路采用簡單的點對點連接方式當然會工作得很好，如圖3所示，雙端口ADC器件可以形成完全隔離的菊花鏈式結構。無論是總線結構還是菊花鏈結構，都存在類似的總體結構復雜性問題，因此在具體考慮一個設計方案的各個方面時，可能會視所涉細節(jié)的不同而選擇不同的連接方式。菊花鏈方式往往成本較低，因為這種方式通常采用較低DC隔絕電壓和較簡單的變壓器，但就可尋址拓撲而言，變壓器必須涵蓋從isoSPI主控器件到AFE的整個電壓范圍，這有可能是整個電池組的最大電壓范圍，另一方面，并聯(lián)可尋址總線提供較好的故障容限，因為都是直接與isoSPI主控器件通信。為了避免EMI多點進入以及多路徑反射問題，最好在一個電路板上實現(xiàn)所有總線電路，這樣總線本身就很緊湊，并有可能用PCB地平面對其加以保護。
對BMS電子電路分區(qū)
isoSPI的主要優(yōu)勢之一是，在點對點菊花鏈式配置中，允許使用很長的裸露配線。isoSPI出現(xiàn)之前，BMS設計只能采用集中式架構，或者需要用昂貴的隔離式CANbus實現(xiàn)互連。isoSPI接口允許采取實用的模塊化方法，而且能夠發(fā)揮出模塊化方法的所有優(yōu)勢。圖4顯示了分布式菊花鏈BMS結構，在這種結構中，電池組可以任意組合，并作為一個分布式網絡運行。滿足電路分布需求需要多少AFE器件(LTC6811-1)和束線級互連，該網絡就可以納入多少。采用isoSPI網絡意味著，所有數據處理活動都可以合并到單一微處理器電路中，而且微處理器實際上可以放置在任何地方。這種網絡的總體靈活性使基于isoSPI的BMS系統(tǒng)能夠設計成既具備高性能，又可改善成本效益。
圖4：采用isoSPI的、靈活的分布式BMS結構。
請注意，在圖4中，一段isoSPI總線無論在哪里，只要裸露于束線級EMC環(huán)境中，每個AFE IC的終止結構中就會放入一個小型共模扼流圈(CMC)。該CMC是一種非常小的變壓器組件，抑制任何殘留和非常高頻率(VHF)的共模噪聲，否則這種共模噪聲可能通過耦合變壓器的內部繞組電容泄漏出去。此外，所有束線配線都是完全隔離的，以保證徹底安全。
應對新的挑戰(zhàn)
既然isoSPI結構使電池模塊中的電子電路實現(xiàn)了最小化，那么就可更方便、更具成本效益地滿足ISO 26262等新法令的要求。以冗余這個問題為例，設計師可以簡便地按照需要給isoSPI網絡增加額外的AFE電路。另外，由于采用網絡方式后，合并了處理器功能，所以提供冗余數據通路，甚至提供雙處理器，都成了非常簡單的事情，不會對模塊封裝造成大的影響。設計師可以按照需要簡便地在各種模塊中增加額外的電路，以實現(xiàn)可靠性目標。
本文小結
通過集成行之有效的數據通信技術，isoSPI為標準SPI器件的遠程控制提供了一種簡便可靠的方法，而以前這類器件需要額外適應CAN總線協(xié)議。isoSPI兩線數據鏈路通過靈活的ADC網絡，為提高電池管理系統(tǒng)的可靠性及優(yōu)化其結構提供了一種具成本效益的方式。處理器遠離電池以及處理器功能合并可簡化電池組模塊，從而最大限度減少每個電池所需的電子組件。
作者：
Jon Munson
高級應用工程師
凌力爾特公司
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