此篇文章發表於電子設計並獲得授權
為現今的汽車進行設計需要面面俱到。
在滿足日益嚴格的排放標準以及為愈來愈多的內建系統和小裝置供電之間，現今的車輛需要在高功率時仍保有高效率。為了同時實現高效率和高功率，工程師愈來愈仰賴將 48V 電力運作與傳統燃氣引擎相結合的系統。這種方法可確保車輛滿足嚴格的二氧化碳排放要求，同時也可以提高性能和駕駛品質。
儘管已有很多關於雙電池汽車系統這方面的話題，但我想著重介紹在 12V 和 48V 組合系統中很重要但有時遭忽視的元件：電氣隔離（galvanic isolation）。電氣隔離用於防範接地雜訊，並對於連接的 48V 系統在出現接地解除或故障的情況時保護 12V 系統。
在本文中，我將討論 48V 汽車應用中對隔離的需求，並說明一種精巧、高效率、耐用而且低雜訊的方法，透過控制區域網路 (CAN，Control Area Network) 介面隔離 48V 系統。
使用 48V 電池的車輛需要進行電氣隔離
即使是使用 48V 電池 (通常是鋰離子電池) 的車輛，傳統 12V 鉛酸電池仍然可為控制電子裝置和低功率裝置供電。以這兩個電源運作的系統需要相互通訊。例如，由 12V 電池供電的引擎控制器控制 48V 起動發電機。兩個系統的接地線都連接到汽車底盤。理論上，兩個系統可以直接相互連接，如圖 1a 所示，不過基於下列原因，幾乎一律需要進行電氣隔離，如圖 1b 所示：
- 瞬態接地電位差：12V 系統的接地透過螺栓直接連接到汽車底盤。48V 模組的接地使用長度可能長達數英呎的電纜連接到汽車底盤。起動發電機或交流壓縮機等 48V 系統存在大量開關電流，再加上接地電纜的電感特性，會導致瞬態接地雜訊，因此很容易損壞3V 低壓或 5V 通訊訊號，有了電氣隔離才能確保可靠的資料傳輸。
- 48V 側的接地故障：有時在故障條件下或維護期間，圖 1a 中的 GND_48V 可能會與機箱中斷連接。模組依次連接到 48V 電池所獲得的 48V 電源可能仍然完好無損。在這種情況下，包括 12V 系統介面在內，全部 48V 系統的內部節點都會上升到 48V。這種情況對於 12V 系統而言相當危險，因為輸入/輸出連接埠的設計可能無法承受 48V 電壓。在圖 1b 中，相同的故障情況不會對於 12V 系統構成壓力。整個電氣隔離層會達到 48V，不過隔離層通常可承受更高的電壓 (例如5 kV)。
- 短路情況：在圖 1a 中，48V 系統內部的任何短路都可能導致12V 系統的介面出現 48V 。這種潛在的危害可能危及使用 12V 電源供電的許多電路，包括對於車輛安全運作而言極為重要的電路。電氣隔離有助於確保 48V 系統上的任何短路不會傳遞到車輛的 12V 側。
圖 1：12V 和 48V 系統之間的直接電氣隔離
考量上述情況，汽車電氣和電子元件適用的 VDA320（Verband der Automobilindustrie 320）標準規定 48V 和 12V 電壓域之間的隔離度。進行介電耐壓測試時，在 12V 隔離層將 60V 測試電壓施加於 48V 長達 60 分鐘，系統必須提供 1M Ω 阻抗，而且不會因測試而損壞。另外也進行故障電流測試，在隔離層兩端施加 70V 的電壓，產生的電流必須小於 1 µA。如圖 1 所示，使用電氣隔離可以滿足這些要求。
使用 CAN 介面隔離 48V 系統
您可以透過多種方式實現電氣隔離，並在系統內部的不同位置繪製隔離邊界。圖 2 顯示在 CAN 介面進行隔離的常用方法。相較於系統之中其他位置， 使用CAN 介面隔離有著隔離通道數量最少的優勢 – 僅需兩個隔離通道，如此可減少成本和電路板空間。
圖 2：在輕度混合動力電動車的 12V 和 48V 側之間進行電氣隔離的範例
隔離式 DC/DC 轉換器可產生隔離式電源供應VISO，對 48V 系統的各個部份供電。VISO可以確保 48V 系統的數位隔離器和關鍵零件都具有可操作的電源，即使 48V 電池已完全放電也是如此。 如果 GND_48V 中斷連接，也可以使用 VISO 使 48V 端進入安全狀態。
新的整合型隔離式 CAN 收發器和隔離式 DC-DC 電源控制器現已推出，有助於簡化 48V 系統的隔離式 CAN 介面。圖 3 顯示範例 48V 啟動器發電機。您可以對其他 48V 系統使用類似的隔離架構，例如 DC/DC 轉換器、電池管理系統、加熱器和空氣壓縮機。
圖 3：使用隔離式 CAN 收發器和推拉（push-pull）隔離式電源供應的 48V 啟動器發電機
單晶片整合型隔離式 CAN 收發器 ISO1042-Q1(如圖 3 所示) 將高壓電氣隔離與高性能 CAN 收發器相整合，有助於減少電路板面積，同時改善時序參數。從 CAN 的角度來看，低迴路延遲和偏斜可使用 CAN Flexible Data-Rate 進行高速資料通訊。隔離可以防範傳導和輻射干擾。備援或強化型隔離可以在故障情況下加強防護。
與外部變壓器一起使用時，如圖 3 所示的推拉變壓器驅動器 (例如 SN6505B-Q1) 會產生隔離式電源供應 VISO_HV (在 10V 至 15V 範圍內)，為金屬氧化物半導體場效應晶體管閘極驅動器（MOSFET）供電，並產生較低的 VISO (在 3.3V 至 5V 範圍內) 為微控制器和隔離式 CAN 裝置的數位端供電。推拉式拓樸結構使用兩個低端開關，在交替的時鐘相位中導通，以便在中心抽頭隔離變壓器（center-tapped isolation transformer）之間連續傳輸功率。該拓樸使用前饋（feed-forward）調節，完全透過變壓器比率控制輸出電壓。相較於其他拓樸，連續的功率傳輸導致峰值電流偏低，藉以降低排放量並提高效率。對稱驅動也可以防止變壓器飽和，因此變壓器保持精巧簡約。
在 12V 側，非隔離式 DC/DC 轉換器或降壓可產生 5V 電源，為 CAN 收發器供電，同時也做為推拉隔離式 DC/DC 轉換器的輸入電壓。預先使用降壓導致系統對負載變化可能引起的 12V 電池電源變化不敏感。此外，在較低的輸入電壓 (5V vs. 12V) 下運作也會致使變壓器縮小。
結論
對於使用 48V 電池電源的汽車，電氣隔離是相當重要的考量因素。隔離用於防範接地雜訊，並對於連接的 48V 系統在出現接地解除或故障的情況時保護 12V 系統。在混合動力電動汽車 (HEV) 中使用 48V 電源的系統範例包括起動發電機、電動渦輪增壓器、電動泵、空調、加熱器、電懸架和駕駛輔助系統。整合型隔離式 CAN 收發器與推拉隔離式 DC/DC 電源相結合，為隔離 48V 系統提供精巧、高效率、耐用而且低雜訊的技術。
