[Conception de circuit standard] Référence de circuit standard de solution SPI isolée

Contexte technique et concepts de base

Isoler les communications SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) adopte une architecture maître-esclave synchrone, full-duplex et utilise la sélection de puce CS, l'horloge SCLK et la communication MOSI/MISO à quatre fils pour compléter la communication. Il a un timing simple et une vitesse élevée. Il s'agit d'une interface grand public pour ADC/DAC, capteurs, AFE et autres appareils. Cependant, le SPI standard utilise par défaut un terrain d'entente entre les extrémités émettrice et réceptrice et travaillant en étroite proximité sur la même carte. Lorsqu'il existe une différence de potentiel élevée entre les cartes, entre les domaines de puissance ou entre les deux extrémités, les boucles de masse et les interférences en mode commun menaceront directement la sécurité des communications. Tout en conservant les caractéristiques de transmission synchrone à grande vitesse du SPI, le SPI isolé établit une barrière d'isolation électrique entre les deux extrémités via un isolateur numérique, un transformateur ou un couplage capacitif, de sorte que les deux côtés de l'émetteur et du récepteur disposent de sources d'alimentation et de masse indépendantes, qui peuvent supporter des différences de tension de centaines de volts ou même de kilovolts, bloquant fondamentalement les boucles de masse, supprimant le bruit de mode commun et étendant la sécurité du SPI aux scénarios de haute tension et d'interférences fortes tels que l'industrie, l'automobile et le stockage d'énergie.

Pourquoi cette technologie est-elle nécessaire ?

Dans des scénarios tels que la gestion de batterie BMS, les systèmes de stockage d'énergie, les servomoteurs, le contrôle industriel et l'électronique automobile, il existe souvent des différences de potentiel significatives et de fortes interférences électromagnétiques entre le côté haute tension et le côté basse tension, ainsi qu'entre les cartes. Il existe des exigences extrêmement élevées en matière d'isolation électrique, de suppression du mode commun, de précision d'échantillonnage et de sécurité des communications des personnes et des appareils.

Le protocole SPI lui-même présente les avantages naturels d'une vitesse élevée, d'un duplex intégral et d'une synchronisation fixe, mais il ne définit pas de mécanisme d'isolation et de protection. Sans un circuit de couche physique adapté, les différences de potentiel de terre, le bruit en mode commun, les surtensions et les décharges électrostatiques éroderont l'intégrité du signal, allant des erreurs binaires à la panne de puce, ce qui rendra difficile l'utilisation des avantages haute vitesse de SPI dans des environnements difficiles.

Une référence vérifiée pour la conception de circuits standard SPI isolés peut aider les développeurs à sélectionner raisonnablement des méthodes d'isolation (isolateur numérique/transformateur/couplage capacitif) sur la liaison de signal, à compléter l'adaptation d'impédance et le filtrage de découplage, à fournir une protection complète contre les surtensions et les électrostatiques pour le port et à assurer la cohérence de la couche physique grâce à une division normalisée du domaine d'alimentation et à un traitement de mise à la terre, libérant ainsi pleinement le potentiel du protocole SPI, raccourcissant considérablement le cycle de développement, réduisant les coûts d'essais et d'erreurs et rendant le système de communication isolé vraiment stable et fiable.

La solution SPI de Wohu Electronics abandonne le faisceau de câbles volumineux des bus parallèles traditionnels et adopte une topologie SPI isolée pour connecter avec précision chaque carte esclave SPI aux cartes adjacentes en série afin de former une « chaîne neuronale numérique » du module de batterie au terminal BMU.

Conception de circuits SPI isolés

Câblage côté primaire :

Connexion du signal SPI :

Les signaux SPI (SDO, SDI, CLK, GPIO) côté contrôleur sont connectés à l'entrée côté primaire du transformateur d'isolement BMS via le pilote.

Condensateur de découplage :

La broche d'alimentation côté primaire doit être connectée à GND via un condensateur de 100 nF pour garantir la stabilité de l'alimentation du pilote et l'intégrité du signal.

Câblage côté secondaire

Connexions de signaux différentiels :

La sortie différentielle côté secondaire (RDTX+/RDTX−) doit être connectée respectivement aux broches correspondantes du connecteur d'isolation (Connecteur), puis communiquer avec l'extérieur via le connecteur D-SUB.

Protection des téléviseurs :

Les dispositifs de protection TVS doivent être connectés devant toutes les broches RDTX+/RDTX− pour supprimer les impacts de surtension, et connectés à la terre secondaire via des condensateurs de dérivation de valeur appropriée. Il est recommandé d'utiliser des condensateurs céramiques puces dans des boîtiers 0402 ou 0603 et de les placer aussi près que possible des broches du connecteur.

Description de la fonction du circuit

Isolation des signaux :

Le transformateur d'isolement BMS transmet les signaux différentiels SPI via un couplage magnétique pour obtenir une isolation électrique complète entre le côté contrôleur et le côté batterie, bloquant efficacement le chemin de courant côté haute tension, protégeant le MCU de commande principal des impacts haute tension et supprimant les interférences en mode commun.

Condensateur de découplage :

Le condensateur 100nF est utilisé pour filtrer le bruit haute fréquence de l'alimentation côté pilote afin de garantir un fonctionnement stable et l'intégrité du signal du côté primaire du transformateur d'isolation.

Protection des téléviseurs :

La tension de serrage du dispositif TVS doit correspondre à la tension de fonctionnement du système et fournir une protection bidirectionnelle contre les surtensions et les décharges électrostatiques pour la broche différentielle RDTX afin de garantir un fonctionnement fiable à long terme dans un environnement d'isolation haute tension.

Produits de support recommandés pour la solution VOOHU Wohu :

Système de gestion de batterie (BMS)

Scénario :Batterie d'alimentation pour véhicule électrique, centrale de stockage d'énergie, chaîne en guirlande AFE d'échantillonnage de cellules

Nouvelle production d’énergie et stockage d’énergie

Scénario :Onduleurs photovoltaïques, convertisseurs d'énergie éolienne, convertisseurs de stockage d'énergie PCS

Automatisation industrielle et entraînements moteurs

Scénario :Servomoteur, convertisseur de fréquence, acquisition de quantité analogique PLC, joint de robot

Electronique automobile

Scénario :Contrôleur d'entraînement électrique, chargeur de véhicule OBC, convertisseur DC-DC, boîtier de distribution d'énergie haute-tension (PDU)

Remarque : Les solutions ci-dessus sont des conceptions standard à titre de référence uniquement. La conception finale du circuit est soumise aux exigences sur site. Appelez-nous pour une assistance gratuite et approfondie.

Depuis sa création en 2018 jusqu'à son déploiement à l'étranger en 2026, Wohu Electronics est devenu un partenaire fiable de plus de 1 000 entreprises en s'appuyant sur « une excellente qualité, des prix abordables, des services attentionnés et une livraison fiable ».

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