隨著系統(tǒng)變得更加緊湊、高效和模塊化，設(shè)計人員面臨著管理不同電壓域間通信的新挑戰(zhàn)。一個主要示例是<100VDC?架構(gòu)的興起，包括電動汽車 (EV)、機器人和儲能系統(tǒng)中的 48V 系統(tǒng)。這些架構(gòu)避免了高電壓設(shè)計的復(fù)雜性，同時能夠保持高效的電力輸送，從而實現(xiàn)更小尺寸和更高集成度的設(shè)計。與此趨勢并行的是模塊化設(shè)計原則的興起 – 為特定功能定制的優(yōu)化、可互換組件。例如，電動工具等消費類產(chǎn)品通常依賴于單個可互換電池，這使得充電和多設(shè)備管理更加便捷。

隨著模塊化低壓系統(tǒng)的日益普及，出現(xiàn)了新的集成挑戰(zhàn)：實現(xiàn)不同電壓域和接地域之間的無縫通信。如圖 1 所示，TI 的 ±80V 接地電平轉(zhuǎn)換器支持在具有不同接地電位的系統(tǒng)間進行1.71V 至 5.5V的電壓轉(zhuǎn)換，有助于實現(xiàn)可靠、緊湊且可擴展的系統(tǒng)設(shè)計。

圖 1：±80V 接地電平轉(zhuǎn)換器，用于橋接不同的接地域

為了解決80V 以下電壓范圍的接地偏移問題，設(shè)計人員傳統(tǒng)上使用電流隔離或分立式電平轉(zhuǎn)換器，但這兩種方法在復(fù)雜性、尺寸和成本方面都存在折衷：

電流隔離器價格昂貴、體積龐大，且通常在數(shù)據(jù)速率和時序性能方面受到限制。以下的表 1 重點介紹了此解決方案與接地電平轉(zhuǎn)換器之間的差異。

分立式電平轉(zhuǎn)換器可處理單向低速信號，但不可靠且無法擴展。雖然成本較低，但解決方案尺寸約為 10mm2至 20mm2。

表 1：接地電平轉(zhuǎn)換器和電流隔離器比較表

接地偏移挑戰(zhàn)

模塊化設(shè)計中的子系統(tǒng)各自具有獨立的電壓和接地參考。但當這些系統(tǒng)集成時，即使是接地電位的微小差異也會導(dǎo)致信號完整性問題和通信錯誤。如圖 2 和圖 3 中所示，接地偏移可能源于直流偏移或交流接地噪聲。

直流接地漂移

走線電阻或較長的電纜可能會導(dǎo)致電壓差異。在多域系統(tǒng)中，由于局部負載電流或不對稱的接地拓撲結(jié)構(gòu)，一個域可能會比另一個域“浮動”幾伏。例如，一個子系統(tǒng)通過短而寬的走線連接到主接地，而另一個子系統(tǒng)通過長而窄的走線連接到接地平面。

圖 2：使用接地電平轉(zhuǎn)換器解決系統(tǒng)之間的直流接地偏移

交流接地噪聲

在數(shù)字、模擬和電源電路共存的混合信號系統(tǒng)中，交流接地噪聲很常見。在電源側(cè)，該噪聲源于開關(guān)電源元件所產(chǎn)生快速變化的大返回電流。在數(shù)字側(cè)，高速信號轉(zhuǎn)換可以將瞬態(tài)電流注入數(shù)字接地。這些波動會改變本地接地電位，干擾假定共地參考的子系統(tǒng)之間的通信。

圖 3：使用接地電平轉(zhuǎn)換器解決系統(tǒng)之間的交流接地噪聲

專為低壓系統(tǒng)設(shè)計的接地電平轉(zhuǎn)換器

TI 的接地電平轉(zhuǎn)換器支持將 I/O 電壓電平從 1.71V 轉(zhuǎn)換到 5.5V，可解決高達 ±80V 的直流接地偏移和高達 140Vpp 的 1MHz 交流噪聲抑制，其尺寸僅為更復(fù)雜解決方案的七分之一，成本為其一半。TXG8041支持傳播延遲 <5ns，通道間偏斜為 0.35ns 的推挽輸出，從而實現(xiàn)高達 250Mbps 的系統(tǒng)間實時通信快速數(shù)據(jù)處理。?TXG8122?支持開漏配置（包括 I2C），功耗僅為現(xiàn)有解決方案的一半，可更大限度地降低功耗，從而延長電池壽命并降低熱負荷。這些轉(zhuǎn)換器通過小至 2.25mm2?的封裝實現(xiàn)緊湊設(shè)計，并通過多種通道類型和配置提供可擴展性。

48V 架構(gòu)中的應(yīng)用

48V 架構(gòu)逐漸受到 EV 制造商的青睞，電子產(chǎn)品設(shè)計遵循國際標準化組織最新的 21780 標準，該標準要求對接地偏移進行特定測試，以確保在不同接地電位下工作的器件之間進行可靠通信。在此類系統(tǒng)中，工作在 48V 的控制模塊可能需要與 12V 傳感器進行通信，即使由于布局或負載條件存在幾伏特的接地偏移。

TXG8041支持在 ±80V 接地偏移的不匹配域之間通信，覆蓋 48V 電池系統(tǒng)的瞬態(tài)，并通過更快的數(shù)據(jù)速率和低傳播延遲支持更高速度的 SPI 通信。如圖 4 所示，接地電平轉(zhuǎn)換器采用小至 2.25mm2（對于單通道配置）和 4mm2（對于四通道配置）的封裝，顯著小于典型的電流隔離器。

圖 2：采用 4mm2SON 封裝的 TXG8041 對比尺寸大 7 倍的 29mm2電隔離器（左）；采用 2.25mm2SON 封裝的 TXG8010 對比尺寸大 8 倍的 19mm2光耦合器（右）

啟動電池組監(jiān)測

電器、電動自行車和儲能系統(tǒng)等電池供電系統(tǒng)越來越多地采用堆疊式電池監(jiān)測器，以支持更高的電壓和更長的運行時間。在這些架構(gòu)中，每個監(jiān)控器負責(zé)測量電池組的一部分。頂部監(jiān)控器的接地參考電壓通常接近整個電池組電壓的一半（如 24V），因此與系統(tǒng)微控制器 (MCU) 的接地參考電壓不同，導(dǎo)致無法直接通信。這種有意的拓撲結(jié)構(gòu)引入了接地偏移。TXG8122支持MCU 和電池監(jiān)測器之間的常用的 I2C 通信。此器件還可降低靜態(tài)總線條件下的功耗，同時其 4mm2封裝便于小型化并靈活地集成到模塊化系統(tǒng)中。

結(jié)語

系統(tǒng)之間的接地偏移一直存在，但隨著低壓模塊化架構(gòu)的普及，這種偏移越來越普遍。TI 的 ±80V 接地電平轉(zhuǎn)換器為這一挑戰(zhàn)提供了簡單的解決方案 –支持通過 SPI 或 I2C 等接口在不同接地電平之間進行電壓轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在，您可以利用此技術(shù)，其尺寸和成本僅為傳統(tǒng)方法的一小部分，性能提高 2 倍，同時保持信號完整性和可靠的系統(tǒng)運行。