隨著系統(tǒng)變得更加緊湊、高效和模塊化，設(shè)計(jì)人員面臨著管理不同電壓域間通信的新挑戰(zhàn)。一個(gè)主要示例是<100VDC?架構(gòu)的興起，包括電動(dòng)汽車 (EV)、機(jī)器人和儲(chǔ)能系統(tǒng)中的 48V 系統(tǒng)。這些架構(gòu)避免了高電壓設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)能夠保持高效的電力輸送，從而實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更高集成度的設(shè)計(jì)。與此趨勢(shì)并行的是模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)工具等消費(fèi)類產(chǎn)品通常依賴于單個(gè)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(shí)現(xiàn)不同電壓域和接地域之間的無(wú)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(jìn)行1.71V 至 5.5V的電壓轉(zhuǎn)換，有助于實(shí)現(xiàn)可靠、緊湊且可擴(kuò)展的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jià)格昂貴、體積龐大，且通常在數(shù)據(jù)速率和時(shí)序性能方面受到限制。以下的表 1 重點(diǎn)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(hào)，但不可靠且無(wú)法擴(kuò)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(jì)中的子系統(tǒng)各自具有獨(dú)立的電壓和接地參考。但當(dāng)這些系統(tǒng)集成時(shí)，即使是接地電位的微小差異也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題和通信錯(cuò)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(zhǎng)的電纜可能會(huì)導(dǎo)致電壓差異。在多域系統(tǒng)中，由于局部負(fù)載電流或不對(duì)稱的接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)域可能會(huì)比另一個(gè)域“浮動(dòng)”幾伏。例如，一個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)短而寬的走線連接到主接地，而另一個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)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(hào)系統(tǒng)中，交流接地噪聲很常見(jiàn)。在電源側(cè)，該噪聲源于開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)換可以將瞬態(tài)電流注入數(shù)字接地。這些波動(dòng)會(huì)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(jì)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(dá) ±80V 的直流接地偏移和高達(dá) 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(shí)現(xiàn)高達(dá) 250Mbps 的系統(tǒng)間實(shí)時(shí)通信快速數(shù)據(jù)處理。?TXG8122?支持開(kāi)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(zhǎng)電池壽命并降低熱負(fù)荷。這些轉(zhuǎn)換器通過(guò)小至 2.25mm2?的封裝實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，并通過(guò)多種通道類型和配置提供可擴(kuò)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(jì)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織最新的 21780 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)接地偏移進(jìn)行特定測(cè)試，以確保在不同接地電位下工作的器件之間進(jìn)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(jìn)行通信，即使由于布局或負(fù)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(guò)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(duì)于單通道配置）和 4mm2（對(duì)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(duì)比尺寸大 7 倍的 29mm2電隔離器（左）；采用 2.25mm2SON 封裝的 TXG8010 對(duì)比尺寸大 8 倍的 19mm2光耦合器（右）

啟動(dòng)電池組監(jiān)測(cè)

電器、電動(dòng)自行車和儲(chǔ)能系統(tǒng)等電池供電系統(tǒng)越來(lái)越多地采用堆疊式電池監(jiān)測(cè)器，以支持更高的電壓和更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。在這些架構(gòu)中，每個(gè)監(jiān)控器負(fù)責(zé)測(cè)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(gè)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(wú)法直接通信。這種有意的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入了接地偏移。TXG8122支持MCU 和電池監(jiān)測(cè)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(shí)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(yǔ)

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(lái)越普遍。TI 的 ±80V 接地電平轉(zhuǎn)換器為這一挑戰(zhàn)提供了簡(jiǎn)單的解決方案 –支持通過(guò) SPI 或 I2C 等接口在不同接地電平之間進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。現(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(shí)保持信號(hào)完整性和可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。