iso SPI数据链路为何对电池系统影响如此之大？

isoSPI 接口是怎样工作的

为解决复杂的干扰问题，所采用的主要技术是“平衡”双线 (两条线都不接地) 差分信号。这样允许噪声出现在导线上，但是，因为两条导线 (共模) 上的噪声几乎相同，因此，传输的差模信号相互之间相对地不受影响。为处理非常大的共模噪声侵入，还需要采用隔离方法，最简单的方法是由纤巧的变压器实现磁耦合。变压器绕组耦合穿越介电势垒的重要差异信息，但由于采用了电隔离，因此不会强烈地耦合共模噪声。这些与非常成功的以太网双绞线标准中所使用的方法相同。最后一方面是对信号传输方案进行相应的调整以提供一种全双工 SPI 活动变换，可支持高达 1Mbps 的信号速率，而传输则仅需采用单根双绞线。图 1 显示了理想的 isoSPI 差分波形，描述了能够通过变压器耦合的无直流脉冲，不会损失信息。通过脉冲的宽度、极性和时序对传统 SPI 信号的不同状态变化进行编码。

图1: isoSPI 差分信号对双绞线上的 SPI 状态变化进行编码

通过采用所有这些技术，isoSPI 从设计一开始就支持无误码传输，进行严格的大电流注入 (BCI) 干扰测试。在实际中，凌力尔特公司演示了面对超恶劣 200mA BCI 下的全面性能，在几家主要汽车公司进行了同样的演示，isoSPI 链路完全适合汽车底盘总线应用。isoSPI 不但能够提供模块间通信，而且要比其他板上隔离方法成本低得多，电池系统在高电压环境下安全的运转迫切需要采用隔离方法，因此，这提供了额外的成本节省。

采用 isoSPI 降低复杂度

构建 BMS 通常涉及到连接模数转换器 (ADC) 前端器件至处理器，这即是要与 CANbus 链路接口以实现车内的消息交换。图 2 (a) 显示了类似的结构，只需要两个 ADC 器件就能够支持传统的 SPI 数据连接。采用 SPI 信号时，为满足安全和数据完整性需求而实现彻底的电流隔离，每一 ADC 单元都需要专用数据隔离单元。这可利用磁性、容性或光学方法从微处理器系统和 CANbus 网络浮置电池组，但由于它们不得不处理 4 个信号通路，因此是相当昂贵的组件。

(a)


(b)
图 2: 传统的 BMS 隔离和 isoSPI 方法

图 2 (b) 显示了相同的功能，但是采用了 isoSPI 来实现。一个小型的低成本变压器替代了数据隔离器，实现主处理器单元和电池组之间的电隔离。在主微处理器侧，一个小的适配器 IC (LTC6820) 提供了 isoSPI 主机接口。所示的 ADC 器件 (LTC6804-2) 具有集成型 isoSPI 从属支持功能，因此唯一必需增设的电路是平衡传输线结构所要求的正确终端电阻。图中虽然只显示了两个 ADC 单元，但是，一条扩展 isoSPI 总线可以服务 16 个单元。

图3 采用 isoSPI 菊花链的另一种 BMS 配置

isoSPI 器件支持多分支总线或点对点菊花链

采用简单的点对点连接时，isoSPI 链路工作当然非常好，如图 3 所示，双端口 ADC 器件 (LTC6804-1) 能够形成完全隔离的菊花链结构。总线或者菊花链方法有相似的总结构复杂性，因此，不同的设计根据一些细微的差别而倾向于采用其中一种方法。菊花链方法成本要稍微低一些，它不需要地址设置功能，一般只用到较简单的变压器耦合；而并行可寻址总线的容错能力要好一些。

划分 BMS 电子系统

图 2 和图 3 中显示的实例电路采用了中心式体系结构，这是目前 BMS 设计比较典型的结构。然而，集中式结构并未充分利用主要的 isoSPI 功能之一，即采用很长的外露布线运作。传统的 SPI 连接并不适合这一任务，因此，目前的电池系统需针对电子系统中的通信限制而专门定制。采用 isoSPI 解决方案，避免了这些设计限制，可以实现更好更优的机械结构。

图 4 (a) 显示了一个分布式菊花链 BMS 结构，支持以分布式网络的方式实现任意模块化和功能。为满足分布式电路的要求，网络可能有很多 ADC 器件 (LTC6804-1) 以及线束级互联。为 ADC 信息使用 isoSPI 网络意味着所有数据处理工作可以合并于一个微处理器电路，甚至根本不需要与任何电池单元处于同一位置。这种总体网络的灵活性基于 isoSPI 的 BMS 系统设计实现高性能，并改善了性价比。

图 4 (b) 示出了一种在一根多分支总线中采用 isoSPI 的分布式 BMS 结构。虽然从外部看与图 (a) 相似 (包括汽车布线方面)，但 isoSPI 传输线实际上是一个信号对，其并联所有的 ADC 器件 (多达 16 个 LTC6804-2) 并只终接总线的终端。某些总线实际上位于模块的内部，但最终再次脱离以传播至下一个模块。
 

图4 采用了 isoSPI 网络的灵活分布式 BMS 结构

图中需要注意的一点是，当 isoSPI 部分出现线束情况时 (从而要进行 BCI 干扰测试)，在 IC 相关的 isoSPI 端口连接中放置了一个小的共模扼流圈 (CMC)。CMC 是一个很小的变压器单元，隔离任何残留的非常高频 (VHF) 共模噪声，这些噪声可能通过耦合变压器的线圈间电容而泄露。此外，完全隔离线束以提高完整的安全性。

面对新的挑战

由于采用 isoSPI 结构后可减少电池模块中的电子元器件数量，因此，更容易满足如 ISO 26262 等新标准，而且性价比很高。例如，从冗余角度看，根据要求，只需要复制另一个 ADC ，将其加到 isoSPI 网络中。而且，采用网络方法支持的合并处理器功能，提供冗余数据通路甚至是双处理器都是很简单，而且对封装没有太大的影响，只是在各种模块中根据需要增加额外的电路，以实现可靠性目标。

结论

通过整合行之有效的数据通信技术，isoSPI 提供了一种稳健和简单的标准 SPI 设备远程控制法，而这在以前是需要对 CANbus 进行额外的协议自适应调整。isoSPI 两线式数据链路是一种具成本效益的方法，可通过 ADC 的灵活网络化来改善电池管理系统的可靠性和结构优化。将处理器功能合并到远离电池的地方能实现电池组模块的简化，从而最大限度地减少每个电池电子线路的元件数量。