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Acopladores para aislar elevadas tensiones en baterías Li-ion de vehículos eléctricos (II)

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Aislamiento de señal

En los vehículos eléctricos, las tareas de comunicaciones y control representan la “piedra angular” de su funcionamiento y, en un coche, como el Volt, múltiples redes aíslan y protegen subsistemas individuales. Algoritmos complejos gestionan los grupos de celdas Li-ion y monitorizan los packs de batería de cada subsistema de sensado en un módulo de control de interface particular.

Sin embargo, últimamente los datos críticos necesarios para la gestión de la batería están emplazados en el interface de señal de bus de red de área de control (CAN) y una señal de fallo de alta tensión.

Al mismo tiempo, la seguridad y la fiabilidad dependen del aislamiento de la red de bus CAN desde los circuitos de sensado de elevado voltaje. Aunque dicho aislamiento se puede diseñar usando diversos métodos y componentes, el entorno adverso y las múltiples regulaciones hacen que los optoacopladores se conviertan en la solución preferida en este tipo de aplicación.

Los optoacopladores ofrecen inmunidad al ruido en modo común y también son insensibles a la EMC y la EMI asociadas a cualquier entorno eléctricamente ruidoso, como es un automóvil. Además, estos dispositivos proporcionan elevados niveles de aislamiento, algo vital para hacer frente al estrés de tensión dc del pack de batería, así como a los transitorios que se pueden producir durante los procesos de test, conexión / desconexión de cargador y conversión dc / dc.

En la elección de este componente esencial, los principales requerimientos para su uso en el sector de la automoción son un encapsulado adecuado y las especificaciones de tensión operativa.

A pesar de que las especificaciones de rendimiento, como velocidad, ratio de datos y consumo de energía, son importantes, los conceptos relativos a EMI, conmutación rápida y transitorios de elevada corriente, que tienden a limitar la necesidad de dispositivos de alta velocidad e incrementar la demanda de mayor fiabilidad en el ajuste de slew rate para minimizar las interferencias EMI.

Para cumplir estos estrictos requerimientos, Avago cuenta con varias familias de optoacopladores que pueden gestionar el sensado de tensión en los packs de batería, ofrecer aislamiento en los interfaces de comunicaciones de datos y aportar otras funciones. La Tabla 1 muestra algunos de los dispositivos especialmente indicados para vehículos.

Optoacopladores para aplicaciones de automoción
Optoacopladores para aplicaciones de automoción

Optoacoplador de grado-automoción

Por ejemplo, el optoacoplador ACPL-M43T de Avago Technologies proporciona aislamiento en las PCB del módulo de control de interface de batería. Este miembro de la familia R2Coupler de grado-automoción con canal digital se suministra en un encapsulado Jedec SO-5 de 5-lead diseñado para montaje en superficie.

Junto con el aislamiento reforzado, los dispositivos R2Coupler, como el ACPL-M43T utilizan bobinas dobles para fortalecer los pads funcionales críticos (Figura 2).

Para dispositivos R2Coupler de grado-automoción, como el optoacoplador ACPL-M43T, Avago refuerza los pads funcionales críticos con doublé wire bond, como se observa en la zona resaltada.
Para dispositivos R2Coupler de grado-automoción, como el optoacoplador ACPL-M43T, Avago refuerza los pads funcionales críticos con doublé wire bond, como se observa en la zona resaltada.

Los optoacopladores herméticos también han demostrado mejoras en fiabilidad y rango de temperatura operativa en comparación con aquellos modelos basados en LED de grado-consumo.

Destinado para aplicaciones de automoción, este optoacoplador usa LED de grado-automoción, ha sido fabricado según el estándar de calidad ISO / TS16949 y cumple las especificaciones AEC-Q100.

El dispositivo es ideal para superar los requerimientos de pack de baterías en EV, con especificaciones que incluyen tensión operativa continua de 567 V, sobretensión transitoria máxima de 6000 V y creepage y clearance de 5 mm.

Este optoacoplador también se caracteriza por una elevada inmunidad a los transitorios en modo común de 30 kV / µs para salida de baja o alta lógica con corriente de entrada directa de 10 mA, reduciendo la probabilidad de que transitorios provenientes de otros subsistemas de automoción entren en la red de transmisiones CAN.

La velocidad de 1 M baudio es más que suficiente para este tipo de diseño. Además, el dispositivo cuenta con una salida de recopilación abierta que permite a los ingenieros “sintonizar” el slew rate de salida y así minimizar las emisiones electromagnéticas que podrían provocar efectos secundarios en las tareas de conmutación de componentes downstream, incluyendo transceptores CAN, a pesar de la baja EMI inherente en el protocolo de transmisión física CAN.

En la PCB del módulo de interface de batería, los ACPL-M43T se sitúan en el borde de la sección de comunicaciones, aislándola de otros subsistemas de sensado de alta tensión que son protegidos por planos de tierra en capas más profundas de la tarjeta de circuito impreso.

El interface de aislamiento ofrece tres optoacopladores individuales para cada una de las tres líneas de cada circuito de sensado: pin de salida CAN Tx, pin de entrada MCU CAN Rx y señal de fallo de elevada tensión desde el MCU.

El optoacoplador Avago ACPL-M43T aísla señales entre el MCU y el transceptor CAN
El optoacoplador Avago ACPL-M43T aísla señales entre el MCU y el transceptor CAN

La salida desde el pin MCU CAN Tx, por ejemplo, atraviesa una capa de señal apantallada en la PCB para alcanzar el ánodo de pin 1 de un dispositivo ACPL-M43T para suministrar energía al LED embebido, provocando un cambio de estado en el pin 5 Vo (Figura 3). La señal aislada, entonces, pasa a la fase de salida de comunicaciones del módulo de interface de batería.

Por lo tanto, los optoacopladores tienen un papel muy importante en el subsistema electrónico de vehículos eléctricos e híbridos al proporcionar aislamiento de señal, inmunidad al ruido y protección (seguridad) de sistema, y evitar tensiones elevadas que pudieran provocar daños en el coche y, consecuentemente, a los ocupantes. El Chevy Colt es sólo un ejemplo de cómo los optoacopladores de Avago facilitan la gestión del stack de batería.