Circuito de acoplamiento isoSPI de bajo costo para sistemas de baterías de alto voltaje y alta capacidad

El isoSPI característica integrada en el monitor de pila de baterías LTC6804, cuando se combina con una interfaz de comunicaciones isoSPI LTC6820, permite una transferencia de información segura y sólida a través de una barrera de alto voltaje. isoSPI es particularmente útil en sistemas de almacenamiento de energía que producen cientos de voltios a través de celdas conectadas en serie, que requieren un aislamiento dieléctrico completo para minimizar los riesgos para el personal.

En una aplicación isoSPI típica (Figura 1), los transformadores de impulsos proporcionan el aislamiento dieléctrico y rechazan la interferencia de modo común que se puede imprimir en el cableado. La función isoSPI opera con imanes LAN Ethernet económicos y fácilmente disponibles, que normalmente incluyen una sección de estrangulador de modo común (como se muestra en la Figura 1) para mejorar el ruido de línea de modo común, junto con las resistencias de terminación de línea de 100 Ω habituales y el modo común. condensadores de desacoplamiento.

Figura 1. Enlace punto a punto isoSPI generalizado.

Los transformadores de señal ordinarios, incluidos los tipos de controlador de compuerta y Ethernet, están enrollados con alambre esmaltado que puede tener defectos de aislamiento del tamaño de un orificio, lo que expone el cobre a la atmósfera, lo que limita inherentemente la polarización entre devanados para la que están certificados dichos transformadores. Dichas unidades se prueban en producción con alto potencial (llamadas pruebas de alto potencial) para identificar problemas graves de aislamiento, generalmente con 1,5 kV. Esto se establece como un margen de diseño seguro para polarización a largo plazo de 60 V, ya que los pequeños sitios de corrosión tienden a requerir más de 60 V para formar caminos conductores entre los devanados.

Para voltajes de pilas de baterías en el rango de 400 V, una buena práctica de diseño es especificar transformadores con aislamiento reforzado (doble) y prueba de alto potencial a 3750 V o más. Dichos transformadores son difíciles de encontrar como piezas pequeñas debido a las dimensiones de fuga (distancia superficial) y espacio libre (separación de aire) requeridas, y son relativamente caros. isoSPI se aplica en sistemas de baterías de hasta 1 kV, lo que requiere transformadores con pruebas de alto potencial de hasta 5 kV para un margen de diseño conservador. En este nivel, los componentes de aislamiento pueden volverse voluminosos, costosos y comprometer la fidelidad del pulso.

Una alternativa al uso de transformadores reforzados es separar el requisito de polarización del magnetismo moviendo el aislamiento adicional a los condensadores de acoplamiento. Si bien los condensadores por sí solos podrían proporcionar una opción de aislamiento aparentemente completa, no ofrecen rechazo de modo común ni las características de aislamiento resistentes a los golpes que ofrecen los transformadores, por lo que un enfoque LC es realmente óptimo. De esta manera, los condensadores se cargan con la polarización de CC nominal y dejan que el transformador maneje los transitorios, para los cuales incluso las unidades ordinarias son adecuadas.

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Los capacitores de acoplamiento están polarizados por resistencias de alto valor, generalmente conectadas a la conexión de derivación central del transformador, como se muestra en la Figura 2. Como beneficio adicional, si se monitorea la corriente CC de las resistencias de polarización, cualquier falla dieléctrica se convierte en una falla detectable. La resistencia se elige para que tenga un valor alto, como 10 MΩ, de modo que las corrientes de falla estén dentro de la clasificación de alambre fino de los transformadores y el riesgo de descarga eléctrica para el personal sea mínimo.

Figura 2. Enlace punto a punto isoSPI acoplado a CA para voltajes aumentados.

La eliminación del requisito de alto voltaje del diseño magnético del transformador permite una serie de opciones de costo relativamente bajo. Una es simplemente usar transformadores Ethernet aprobados apropiadamente. Otra es usar otros imanes de bajo perfil listos para usar para reducir la altura del componente y la masa de la pieza (reduciendo los problemas de fatiga de la soldadura). Estos se pueden instalar a través de métodos de ensamblaje automatizados de montaje en superficie como cualquier otra pieza, lo que reduce los costos de producción. Un buen candidato con estas características es el estrangulador de modo común discreto (CMC), una estructura de transformador que normalmente se utiliza como elemento de filtrado. Dichas piezas están disponibles hasta 100 μH y cuentan con aprobaciones para su uso con sistemas automotrices, lo que las hace deseables también para configuraciones isoSPI.

Los CMC adecuados son económicos. Se pueden producir rápida y fácilmente como un par de hilos bobinados a máquina en forma de ferrita del tamaño de un chip. Aunque los diseños de isoSPI requieren una inductancia un poco más alta para pasar con eficacia las formas de onda de pulso más largas, se puede lograr una inductancia adecuada utilizando dos de los estranguladores con devanados en serie para producir 200 μH. Esto tiene el beneficio adicional de formar conexiones virtuales de derivación central, que son útiles para funciones de polarización y desacoplamiento de modo común.

La Figura 3 muestra un modelo de transformador equivalente realizado con dos CMC. Los choques indicados tienen una huella SMT de 1812 y devanados bifilares (alambres emparejados en la construcción), por lo que el primario y el secundario están íntimamente emparejados, lo que minimiza la inductancia de fuga y, por lo tanto, preserva el rendimiento de alta frecuencia. Los tipos con devanados físicamente separados tienen poca fidelidad de pulso debido a la inductancia de fuga excesiva. Las unidades que se muestran tienen una clasificación continua de 50 V CC.

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Figura 3. Uso de dos estranguladores de modo común como un transformador isoSPI con derivación central.

La figura 4 muestra el circuito completo cuando se utiliza la solución LC con CMC como transformadores. Dado que la aplicación isoSPI habitual incluye secciones de filtrado CMC beneficiosas (integradas en el caso de partes LAN estándar), este circuito incluye una parte discreta recomendada para conservar esa función. Los condensadores de acoplamiento son piezas de 10nF–33nF de alta calidad con una huella de 1812 (clasificación de 630 V o 1 kV). Aquí, asumimos que el LTC6820 está funcionando al potencial de tierra del chasis, por lo que la polarización del par trenzado se encuentra en un nivel seguro.

Figura 4. Enlace punto a punto isoSPI de alto voltaje completo.

En situaciones en las que ambos extremos del par tienen potenciales flotantes, como en enlaces entre módulos LTC6804-1 conectados en cadena, se pueden usar capacitores en ambos extremos del enlace y el par en sí puede polarizarse al potencial de "tierra" con alta valor resistencias a cada línea como se muestra en la Figura 5. Dado que los condensadores están en serie en esta situación, se recomienda al menos 22nF (se muestra el tipo 33nF/630V).

Figura 5. Enlace isoSPI en cadena tipo margarita de alto voltaje con cableado aislado.

Los enlaces entre LTC6804-1 conectados en cadena en la misma placa no necesitan acoplamientos de condensadores, ya que el potencial suele ser < 50 V, y por lo general también requiere solo una sección de transformador (Figura 6), ya que la entrada de ruido sin un cable es mucho menor.

Figura 6. Enlace isoSPI en cadena tipo margarita para interconexiones en la misma placa.

El diseño del circuito impreso debe incluir un amplio espacio de aislamiento a través de la barrera dieléctrica principal, es decir, los condensadores. La Figura 7 muestra un ejemplo de ubicación que proporciona un buen rendimiento de alto voltaje, con las regiones azules que representan la conexión a tierra del marco (lado izquierdo, con conector de par trenzado) y el IC común (lado derecho).

Figura 7. Diseño de circuito impreso sugerido para rendimiento de alto voltaje en una interfaz isoSPI.

Tenga en cuenta que los transformadores deben soportar potenciales transitorios de alta tensión, por lo que también se mantiene el espacio libre mediante el uso de una resistencia de polarización de tamaño 1206. El condensador de desacoplamiento de alta frecuencia y la resistencia de terminación de impedancia pueden ser piezas pequeñas (se muestra el tamaño 0602).

Otra buena práctica para evitar fugas de corriente a través de la barrera de alta tensión es suprimir la máscara de soldadura en el área de los componentes de alta tensión (partes sobre el "espacio" entre las tierras). Esto facilita el enjuague efectivo de los residuos de fundente debajo de las piezas y evita la retención de humedad en la capa porosa de la máscara de soldadura.

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Los circuitos anteriores se aplican a los enlaces isoSPI punto a punto, pero uno de los casos importantes para proporcionar una solución de alto voltaje es el LTC6804-2 direccionable conectado al bus con el enlace de par trenzado que pasa a través de cada conexión "tap", como se muestra en la Figura 8. La aplicación de bus impone un requisito de alto voltaje en cada transformador, ya que el mismo potencial de par trenzado debe interactuar con cualquier voltaje en la pila de celdas flotantes.

Figura 8. Bus isoSPI de alto voltaje completo con control de eco.

El uso de los condensadores de acoplamiento de CA y CMC para mayor aislamiento es el mismo que se describió anteriormente, pero sugerimos un circuito de acoplamiento ligeramente diferente para amortiguar la multitud de reflejos y proporcionar una forma de onda uniforme para los dispositivos de comunicación, independientemente de su posición física en la red. . Hay tres diferencias:

  • La terminación LTC6820 se cambia a un capacitor de 100pF (CT).
  • La terminación de extremo lejano solo se aplica al bus en vivo (RT) y configurado en 68 Ω (sin terminación en ninguno de los LTC6804-2).
  • Resistencias de acoplamiento de 22Ω (RC) se utilizan para todas las conexiones de bus para desacoplar la carga capacitiva parásita.

Estos se muestran en el circuito de la Figura 8, que nuevamente asume que el LTC6820 está funcionando a un potencial de "tierra" seguro. Las formas de onda modificadas tienen una banda limitada para controlar la distorsión de los reflejos, por lo que los pulsos recibidos en los pines del IC aparecen más redondeados como en la Figura 9, pero el circuito discriminador de pulsos isoSPI funciona bien con esta forma filtrada y admite un bus completo de dieciséis direcciones. Dependiendo de las pérdidas reales encontradas en un sistema determinado, puede ser necesario reducir los umbrales de detección de pulso para un funcionamiento óptimo (configure los umbrales para que sean del 40 % al 50 % del pico de la señal diferencial).

Figura 9. Forma de pulso modificada para control de eco en aplicaciones de bus isoSPI.

Tenga en cuenta que para redes de cinco o menos direcciones, los reflejos generalmente no son un problema importante, por lo que se pueden conservar las terminaciones finales resistivas estándar (es decir, 100 Ω en el CTÉRMINO y RTÉRMINO posiciones de la Figura 8, con la RCse omite).

Use un método de acoplamiento de CA para mitigar el impacto en el costo de los sistemas isoSPI de alto voltaje, eliminando el requisito de doble aislamiento en los imanes. El costo se puede reducir aún más al reemplazar los transformadores magnéticos toroidales especiales con componentes económicos de estrangulador de modo común (CMC) bobinados. Tanto los condensadores como los CMC son componentes de chip de montaje en superficie de perfil relativamente bajo que tienen un precio competitivo y están disponibles con aprobaciones automotrices para una alta confiabilidad. Las resistencias de polarización para el acoplamiento de CA ofrecen un medio útil para monitorear la integridad dieléctrica del sistema.

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