东芝车规级光耦设计

[导读]电气系统一直是汽车安全中比较敏感的单元，很多常见小问题均因电气系统的可靠性不能满足而产生。

电气系统一直是汽车安全中比较敏感的单元，很多常见小问题均因电气系统的可靠性不能满足而产生。对于电动汽车而言，由于涵盖了更多的功能单位，包括牵引逆变器、温度控制和加热系统以及车载充电器，这些系统在完全不同的电压水平下运行，因此必须进行电气隔离(Galvanic isolation)。

从过往经验来看，用于数据传输的电气隔离是通过光学技术借助LED源和光电二极管接收器实现的。但是，在以电动汽车为代表的汽车市场需求的刺激下，光耦合器成为了实现电气隔离的首选器件。作为使用光媒介从而达到隔离作用的器件，光耦合器的应用极大保障了新能源汽车电气系统的安全可靠，东芝的车规级光耦合器便是其中的佼佼者。

光耦合器作为一种比较常见的隔离控制器件，将发光元件和光敏元件封装于同一壳体中确保了不受外界干扰。光耦合器的主要优点是单向传输信号，通过电→光→电的传输方式实现了信号的平稳传递，同时器件的输入侧与输出侧完全实现了电气隔离，具备抗干扰能力强、使用寿命长、传输效率高等优势。

目前东芝可以提供种类最全的光耦产品线，涉及范围包括消费级产品、工业、汽车以及光伏等多个应用领域。针对汽车电子领域，拥有超过20年汽车光耦产品研发经验的东芝半导体专门推出了TLX系列满足车载的不同应用需求。目前东芝拥有一系列符合AEC Q101标准的光电耦合器产品，被广泛的应用于车载BMS，DC/DC，OBC，EV Inverter等应用中。同时东芝车规级光耦也在不断地提升器件性能，更好地应对新能源汽车在电池容量、小型化以及节能领域面临的全新挑战。

随着新能源汽车的不断发展，车内电池组的容量与电池组本身的设计复杂程度也随之攀升，这就让电池组的安全性变得尤为重要。在电动汽车的BMS(Battery Management System，电池管理系统)中需要多种光耦合器实现对电池组各项指标数据进行采样和监控。以东芝的车规级光耦产品为例：在一台新能源汽车的BMS系统中，TLX9376和TLX9310光耦进行数据传输的控制;光继电器(photorelay)——TLX9175J实现了对电池组的系统控制。上述的几款东芝产品均采用SO6超薄封装，工作温度范围为-40℃至125℃(TLX9175J除外，其工作温度为-55℃至105℃)。在传统汽车、电动车及混动车的逆变器控制(EV inverter)及智能功率模块(intelligent power module，IPM)接口应用中，东芝的光电产品能够极好地满足车载应用的需求。

我们上文中提到的TLX9175J车规级光继电器，其主要应用方向不仅包括了电动汽车/混合电动汽车上的电池管理系统(BMS)，同时还能够应用于车联网领域，实现对车辆远程控制与远程读取信息等功能。东芝TLX9175J能够符合远比消费级芯片严格的AEC-Q101测试要求，凭借超长的寿命、优越的可靠性以及低功耗特性，TLX9175J在以长城、蔚来为代表的一众电动汽车厂商的电池管理系统中得以被广泛应用。

东芝光耦的结构特性示意

相比于传统的机械式继电器，光继电器在多个方面具有明显的技术优势。首先是继电器的寿命，同样以东芝TLX9175J光继电器为例：该产品通过光敏二极管阵列接受LED光线，并产生电压驱动MOSFET进行工作，由于没有机械触点，TLX9175J无需担忧机械磨损的同时，也不存在由反电动势或回跳引起的噪声，极大地延长了器件的使用寿命。此外，TLX9175J采用了新的大功率红外LED MQW结构，在连续工作10万小时后，新型LED的输出光量衰减率远远低于传统LED的衰减率。这意味着相比于传统的光继电器，采用新型MQW结构的TLX9175J寿命和稳定性会更加优越。

在电路尺寸方面，东芝TLX9175J采用4pin SO6封装，高度仅为2.2mm，超小型的封装尺寸意味最终产品的高度/厚度减小，能够提高电路板设计灵活性。由于输入侧的LED是由电流驱动的，东芝TLX9175J输出端导通所需输入电流不超过15mA，因此用户可以使用MCU的引脚直接驱动光继电器。相比之下，普通机械式继电器所需驱动电流更大。在大部分情况下，用户需要另外增加一个晶体管以提高MCU的驱动能力。因此，在低功耗场景下，东芝TLX9175J光继电器更有优势。

为了促进开发工程师们更好地应用光继电器，东芝提供了用于电路仿真的PSpice和LTspice模型，让开发者们更便捷精准的实现光继电器的电路设计与仿真。

那么在实际设计中如何体现上述的技术优势呢，我们为大家简单的展示使用光继电器和IC输出光耦的电动汽车电池总电压监测电路实例。可以看到，电压检测电路的设计非常简单，通过光继电器与光耦的设计，将电池与MCU完全隔离开的同时，MCU也能够进行电池总电压的测量，在新能源汽车等新兴领域能够得到广泛应用。并且东芝TLX9175J无噪音、低功耗、节省空间等优点使得光继电器能够在大部分需要进行电池电压监测的环境中使用。