有益於电池系统的isoSPI资料连结介面-电子工程专辑.PDF

有益於電池 系統的 isoSPI資料連結 介面 作者：Jon Munson / 凌力爾特(Linear)資深應用經理 對於被設計至 HEV 、PHEV 和 EV 動力傳動系統中的電池組而言 ，實現高可靠性、高性能和 長壽命的關鍵因素之一 ，是電池管理系統(BMS) 中所使用的電子元件。目前為止，大部分電池 組設計採用了集中式的實用 BMS 硬體，侷限於規模較大的裝配中；特別是，電池和相關設備 的電氣雜訊工作環境對資料通訊鏈路呈現非常嚴格的要求，而通訊鏈路承載了車內關鍵資訊的 傳輸。 應用廣泛的 CANbus 能夠處理這類雜訊 ，但是原始BMS 資料的資料輸送量需求及其相關元件 成本導致無法在結構化吸引的設計中採用模組化和分散式電池模組 ，特別是在提供好的分配重 量上。運用標準晶片級串列週邊介面(SPI) 的 isoSPI 實體層自我調整技術，從而釋放成了效益 型分散式電池組架構的全部潛能。 isoSPI 介面是怎樣運作的 為解決複雜的干擾問題 ，所採用的主要技術是“平衡”雙線(兩條線都不接地) 差動訊號。如此將 允許雜訊出現在導線上 ，但由於兩條導線(共模)上的雜訊幾乎相同 ，因此 ，傳輸的差模訊號相 互之間相對地不受影響。為處理非常大的共模雜訊侵入，還需要採用隔離方法，最簡單的方法 是由纖巧的變壓器實現磁耦合。 變壓器繞組耦合穿越介電勢壘的重要差異資訊，但由於採用了電隔離，因此不會強烈地耦合共 模雜訊。這些與非常成功的乙太網雙絞線標準中所使用的方法相同。最後一方面是對訊號傳輸 方案進行相應的調整以提供一種全雙工 SPI 活動變換，其可支援高達 1Mbps 的訊號速率，而 傳輸則僅需採用單根雙絞線。圖一顯示了理想的isoSPI 差動波形 ，其說明了能夠通過變壓器耦 合的無直流脈衝不會損失資訊。通過脈衝的寬度、極性和時序對傳統SPI 訊號的不同狀態變化 進行編碼。 圖一 isoSPI 差動訊號對雙絞線上的SPI 狀態變化進行編碼 透過這些技術，isoSPI 從設計一開始就支援無誤碼傳輸進行嚴格的大電流注入(BCI) 干擾測試。 實際上 ，凌力爾特展示了因應超惡劣 200mA BCI 下的全面性能 ，在幾家主要汽車公司進行的 同樣的展示中，isoSPI 鏈路完全適合汽車底盤匯流排應用。isoSPI 不但能夠提供模組間通訊 ， Copyright © 2013 eMedia Asia Ltd. 電子工程專輯網站()所有內容均受版權保護 而且要比其他板上隔離方法的成本低得多 ，電池系統在高電壓環境下安全的運轉迫切需要採用 隔離方法 ，因此 ，這也提供了額外的成本節省優勢 。 採用isoSPI 降低複雜度 構建BMS 通常涉及連接類比數位轉換器(ADC) 前端元件至處理器 ，這即是要與CANbus 鏈路 連接以實現車內的資訊交換。圖二(a) 顯示了類似的結構，其只需要兩個ADC 元件就能夠支援 傳統的 SPI 資料連接。採用 SPI 訊號時 ，為滿足安全和資料完整性需求而實現徹底的電流隔 離 ，每一 ADC 單元都需要專用資料隔離單元。這可利用磁性、容性或光學方法從微處理器系 統和CANbus 網路浮置電池組，但由於其不得不處理4 個訊號通路，因此是相當昂貴的元件。 (a) (b) 圖二 傳統的BMS 隔離和isoSPI 方法 圖二(b)顯示了相同的功能 ，但是其採用了isoSPI 來實現。一個小型的低成本變壓器替代了資料 隔離器 ，實現主處理器單元和電池組之間的電隔離。在主微處理器側 ，一個小型的適配器 IC (LTC6820) 提供了 isoSPI 主機介面。所示的 ADC 元件 (LTC6804-2) 具有整合式isoSPI 從屬 支援功能，因此唯一必需增設的電路是平衡傳輸線結構所要求的正確終端電阻。圖中雖然只顯 示了兩個ADC 單元 ，但是 ，一條擴展isoSPI 匯流排可以服務16 個單元。 圖三 採用