設計人員發現在設計電池管理系統(BMS)的隔離變壓器時，需要思考許多因素。針對系統設計的效率而言，很重要的一點是供應商要決定對應用功能的期望、所需要的認證級別，以及確定哪些功能選項將重大影響BMS的部署。
BMS設計考量
電池管理系統連接電池組，並管理電池組的充電和放電。這些系統亦監控與電池組健康狀況有關的許多安全因素。此外，BMS還透過將電池與負載，或充電源連接/斷開來提供應用保護。這些高度關鍵的元件與所有更新的電池技術搭配使用，例如鋰離子或LiFePO4電池，這些電池非常容易因為過度充電、充電不足及過熱而損壞。
在設計BMS系統時，請注意有兩個部分需要仔細思考：搭配線路驅動器使用的功率電平電路，以及訊號線驅動器。此外，將隔離和安全裝置裝入BMS時，最佳的位置也要謹慎考量。從磁性元件的角度來看，變壓器通常負責提供低壓側和高壓側之間的隔離，同時滿足安全和隔離要求。
選擇正確的變壓器
要正確選擇用於BMS的變壓器，需要了解電路的關鍵特性。峰值工作電壓或是電路將看到的最高輸入電壓，包含開路或閉路條件下的任何瞬態影響。依據狀態，電路可能需要置於過壓類別之中。這表示電路需要在標準設計上增加繞組之間的距離，或者選擇規格要求更高的Hi-Pot測試電壓。電路設計對於知道必須滿足特定，或哪些具體標準亦非常重要。需要思考的標準可能包含IEC、UL、VDE、CSA或這些標準的組合。
接下來則是必須確定電路需要哪些額外的絕緣標準來保護用戶，或者變壓器的功能是否可以單獨在電子電路內運作。這是電流隔離發揮作用之處，可確保電路保持分離，以消除雜散電流以及減少不必要的接地迴路的變化。透過強化絕緣，電路將為產品使用者提供了額外的保護。
影響變壓器選擇的其他因素，以及可能影響設計的其他因素，包括環境因素。例如所選擇的變壓器必須運作所在之處的海拔高度、污染程度、灰塵和污垢，或是濕度。此外，思考電路設計可能需要滿足其他具體的測試要求亦是重要的。例如產品需要滿足哪個局部放電測試，或長期可靠性測試才能符合特定的標準。對於與變壓器有關的距離主題，則是爬電距離和電氣間隙。爬電距離係指沿著兩點表面，所測量出來的兩點之間的距離。電氣間隙是指兩點之間，只有空氣間隙的兩點之間的距離(圖1)。
在設計BMS時，可使用多種拓撲，具體取決於應用和所需要的認證。在比較不同的變壓器拓樸時，沒有正確或錯誤的使用指示。某一個拓撲可能比另一個拓撲來得更適合某個應用。在決定拓樸時，主要的考量是材料的磁滯迴線，而不是每種拓樸類型的工作模式(圖2)。
推挽操作實際上使用整個磁滯環，而馳返變壓器則使用磁滯環的較小部分。馳返變壓器，被認為具有單象限工作模式。為了以拓樸作為基礎來進行更具體的比較，可詳見比較圖(表1)。
產品如Bourns HCT系列的推挽式電源線驅動器可在無調節或調節的系統環境中運作。此廠商亦提供多種馳返式解決方案，以及提供SPI匯流排或CANbus的訊號層運作解決方案。HCT系列提供薄型元件，其結構內建較高的爬電距離和電氣間隙距離(大於mm)，符合IEC中最嚴格的標準。
儘管變壓器最初是針對TI SN和SN推挽驅動器晶片組所設計的，但是市場上新版的部分變壓器產品，可與任何與TI晶片組系列的輸入和輸出電壓，及功率標準相對應的IC晶片組配合使用。
上述產品系列採用緊湊的封裝，滿足高爬電距離和高電氣間隙距離。其接頭的設計圍繞著內部磁芯，並纏繞到接頭的另一側的引腳。這會產生所謂的「蓋子」，亦即環繞線圈周圍的一個外殼，有助於延長元件的爬電距離和電氣間隙路徑，而不僅僅是兩個針腳之間的距離。
因此，接頭的類型不再是達到爬電距離和電氣間隙上限的控制因素。實際上是針腳間距，為了滿足元件10毫米的爬電距離和電氣間隙距離，設計人員選擇稍微延長的接頭，並增加兩組針腳之間的距離。
具體參考TI晶片組，未調節和調節部分的推拉時序，以及FET的交替開關(圖3)顯示操作人員放入什麼就會輸出什麼。這表示C點成為一個未調節的操作。此設計可以提供一對一訊號，或從A和B到D的電壓轉換。這兩種方式中，不管是哪種設計，沒有輸出可以將訊號往上帶到具有紋波的DC標準。為此，設計人員必須添加一個LDO或小型輸出電感器。增加電感器的結果可能讓電路產生真正的DC電壓，帶有來自推拉驅動器的紋波輸出。
對於BMS-SPI介面，所使用的隔離變壓器基本上是隔離變壓器的擴充，具有某種類型的傳輸線要求，例如共模扼流圈、共模扼流圈加電容，或內建於一體的共模扼流圈、電容器和電感器組合。適用單通道和雙通道應用的訊號變壓器可透過汽車級封裝，滿足電路設計的需求。
安全性和隔離在BMS的設計過程中，扮演重要的角色。低壓和高壓之間的隔離要求可透過不同的方式來實現。即便如此，通常還是要靠變壓器來滿足嚴格的安全要求。因為變壓器廠商多年來，致力於開發解決方案來滿足功率面和訊號面BMS的獨特性能和安全要求。無論具體應用為何，供應商的磁性元件，都有助於提供理想的BMS隔離解決方案。
(本文作者為Bourns磁性元件產品線總監)
