電動汽車很多應用中都離不開高壓電壓採樣,比如在BMS以及MCU(電機控制器)中都必須用到。一般MCU中只採一路就可以了,功能安全方案採兩路。BMS中可能採集更多。
高壓電壓採樣設計相對難一點,需要高低壓隔離,而且電壓範圍寬,還需要線性度較好。
以下對幾種常用方案做一個簡要對比。
一、隔離放大器
隔離放大器常用型號有三款:
型號 | 廠商 | 增益誤差@25℃ | 非線性@25℃ | 輸入失調電壓@25℃ |
---|---|---|---|---|
ACPL-C87 | Avago | ±1%/±0.5% | 0.05% | -0.3mV |
AMC1311-Q1 | TI | ±1%/±0.3% | 0.01% | ±0.40.4mV |
SI8931 | Silicon Labs | ±0.25%/±0.25% | 0.01% | -0.16mV |
三款隔離放大器都有高低精度兩個版本。其中ACPL-C87在MCU中使用的非常廣泛,得到了市場的驗證。Tesla Model S中就用到了。當然,價格也是最貴的。另外兩款價格應該相差不大,從手冊上看比ACPL-C87性能更好。增加了一個新功能:支持高壓側電源診斷,適合做功能安全。
ACPL-C87對高壓側電源的精度有要求,在採樣精度要求較高的場合最好使用參考電壓源。AMC1311內部集成了參考電壓源;SI8931應該也集成了,但不是非常確定,有興趣可以研究一下。
這種方案電路簡單,適合單路或雙路採樣的應用。在MCU中尤其適合,高壓側供電可共用IGBT驅動隔離電源,不需要單獨做隔離電源。在信號傳輸路徑上佔用的資源較少,比如如果跨PCBA傳輸,只需要佔用兩個連接器引腳(差分傳輸)。軟件處理非常簡單。缺點在於傳輸的是模擬信號,不適合長距離傳輸。因爲涉及到三級信號放大(電阻分壓,隔離放大,差分放大),因此三種方案中該方案精度最差,線性度相對較差,不要單獨看隔離放大器的精度,應該看整個信號採樣電路的精度!
二、ADC+通信隔離
這種方案會使用到兩個集成芯片,高壓電壓採樣在高壓側完成,然後通過數字信號(比如SPI)進行傳輸,在數字信號傳輸路徑上做隔離。ADC可選性價比較高的TI產品,如果要求高性能的可選ADI的產品。數字隔離芯片可選的廠家也比較多,比如TI、ADI、Silicon Labs都有合適的產品。注意數字信號方向選擇正確的前向通道與反向通道的個數。
這種方案雖然看上去比較複雜,但如果是多路採樣的場合,優勢明顯。因爲ADC可選擇多通道的。另外,這種方案精度最高,線性度好,主要誤差只來源於分壓電阻。並且由於是數字信號傳輸,路徑可以相對較長。缺點是信號傳輸時佔用資源較多(最少4個信號),軟件處理相對複雜。
三、差分放大
這種方案實際上是一種非隔離方案,電路非常簡單,軟件處理非常簡單,線性度好。最大的優勢在於成本最低,不需要隔離電源,不需要隔離通信!注意選擇運放時需要選擇輸入失調電壓與輸入失調電流越小越好(uV,pA級)。