解决汽车xEV应用中的设计难题

需要解决的第二个难题是BMS电子设计工程师面临的机械设计限制。在BMS开发中，PCB面积是一种珍贵的资产，设计师必须构建出能适用于超紧凑区域的解决方案。高压至低压接口的间距要求（一般称为爬电距离和间隙）由各种电气标准定义，元件必须符合这些标准针对给定应用规定的最低要求。对数字和光耦合器两种隔离解决方案进行了比较，以确定哪种方案可以为PCB板节省大量空间。

对于数字隔离解决方案，我们将考察ADuM1401W。ADuM1401W采用16引脚SOIC_W封装，其标准JEDEC封装尺寸为10.3mm×10.3mm，元件总面积为106mm2。与之相当的光耦合器解决方案要求四个5引脚SOIC封装器件，其标准JEDEC封装尺寸为7mm×3.6mm，单元件面积为25.2mm2。需要在PCB板上放置四个元件，而器件之间一般需要1.2mm的间距。将光耦合器解决方案所需PCB板总面积相加，设计师必须留出134.5mm2的空间。显然，使用数字隔离器解决方案，设计师已经可以节省大约28mm2的面积。

在限定隔离器件面积之后，设计师接下来要考虑整个解决方案所需要的支持元件。数字隔离器（如ADuM1401W）需要使用两个外部旁路电容。假设采用0603封装电容，则占用面积为2.5mm2。对于典型的光耦合器解决方案，设计师必须增加四个电阻(5.1mm2)、四个电容(5.1mm2)和4个前驱电路(33mm2)，因为多数微控制器无法处理其GPIO引脚的10mA功耗要求。至此，设计师可以看到，在需要考虑PCB板面积时，数字隔离器具有明显优势。

与PCB空间相关的另一设计考虑是隔离器件的高压端的驱动问题。对于BMS应用，需要在电池监测器件上实现功耗的均衡化，以防止电池组出现内在的不平衡。

对于光耦合器解决方案，需要一个单独的DC-DC转换器，用于提供隔离工作电压以驱动高压端接口，结果将进一步增加PCB板的面积要求。在数字隔离器件中，设计师可以选择ADuM5401数字隔离器，其中含有四个SPI接口隔离通道，同时还集成了用于驱动高压端接口的DC-DC转换器功能。其封装尺寸与ADuM1401数字隔离器相同，因此，不会增加PCB板的面积要求。

与传统的光耦合器模式相比，数字隔离器解决方案为设计师提供了一种节省空间的隔离器件实现方案，如图2所示。

图2 PCB板空间比较

总结

总之，xEV电子元件设计工程师面对的数字隔离难题可以借助数种不同的隔离拓扑结构而予以解决。通过运用数字隔离器，设计师可以为其应用实现功耗和PCB板面积的双节省。