【导读】从欧盟政策强驱动到全球市场拉动，电动汽车充电基础设施正以前所未有的速度扩张。2024年全球公共充电桩已超500万个，快充桩达200万个，超充桩同比增长超50%，双向充电等新需求更添复杂性。在功率跃升、尺寸缩小、电磁环境严苛的背景下，充电器控制电路的信号完整性与隔离设计面临严峻挑战——作为国际充电标准核心的电力线通信（PLC），其2MHz至30MHz频段内的微弱信号极易受插入损耗、电磁干扰和阻抗不匹配影响而中断，直接关乎充电成败。本文聚焦这一关键环节，探讨脉冲变压器如何通过创新设计保持信号保真度并提供电气隔离，成为xEV充电系统中保障可靠通信的使能元件，并以TDK AMT45S为例展示专用化设计如何应对上述挑战。

本文将探讨，随着充电基础设施规模扩展、外形尺寸缩小、功率水平提高，以及可靠的电力线通信（PLC）成为国际充电标准的核心，各类电动汽车（统称为xEV）的充电器控制电路为何面临日益严峻的信号完整性和隔离设计挑战。随后，我们将阐述脉冲变压器如何通过工程设计来保障PLC性能、提供隔离，并在现代xEV充电系统中实现可靠通信。

为何电动汽车充电器的控制电路具有独特挑战

关于电动汽车充电器的讨论大多集中在支持更高功率水平的电力电子设备上，但驱动电力电子设备的控制电路才是确保可靠性的关键。电动汽车充电器主要由两部分组成：功率级负责能量转换，而控制级则确保充电过程安全、高效。

控制信号可以通过独立的通信接口或通过PLC传输，后者将数据通过充电接口内的控制导线（CP）进行传输。这种传输方式避免了在充电接口内设置单独的专用数据电缆，有助于降低系统复杂性、减轻重量并减少连接器数量。

北美充电标准（NACS）和组合充电系统（CCS）均采用PLC进行充电。ISO 15118等标准定义了基于PLC充电的电气和通信要求，包括信号强度和抗干扰能力，这些要求直接影响控制电路的设计[2]。随着标准的持续融合，车辆能够通过简单的“即插即充”过程自动识别自身并协商充电，这给设计过程带来了新的挑战。

确保控制信号的质量对于充电至关重要，也是满足相关认证标准的必要条件。控制信号微弱或受到干扰，可能导致充电会话管理失败，并阻止充电器与电池管理系统（BMS）进行通信。控制线路中的每个组件、导线或连接器都会引入插入损耗，从而衰减、扭曲宽带PLC信号。在较高频率下，插入损耗更大，这确实会影响2MHz至30MHz范围内的PLC通信。

除了信号衰减之外，信号完整性还面临其他威胁。当前缩小充电器尺寸的趋势意味着控制电子元器件和功率电子元器件将共用一块更小的电路板。为为了提高设计功率密度和效率，通常会采用宽禁带（WBG）电子器件。这些器件能够以极快的速度切换大电流，从而可能在与PLC相似的频率范围内产生严重的电磁干扰（EMI）。此外，快速瞬态和可变的电缆阻抗也会影响控制信号的完整性。

脉冲变压器的价值

应对控制信号质量方面的挑战，使脉冲变压器成为充电过程中最重要的元器件之一。这些器件利用磁耦合，在电路之间快速传输高速矩形脉冲，且失真极小。在电动汽车充电器中，它们在保持控制信号完整性的同时，还提供了电隔离，从而保护控制电路免受电源电路和EMI的影响（图1）。脉冲变压器还可有效阻隔信号的直流分量并抑制共模噪声。其他用于执行这些任务的方案效果较差，且需要在频率响应与抗噪声能力之间进行权衡。

图1：在PLC电路中，脉冲变压器对于保持信号完整性以及保护控制电路免受大功率电路和噪声的影响至关重要。（图源：TDK）

为了尽可能减少信号衰减，电动汽车充电应用中的脉冲变压器必须在整个2MHz至30MHz传输带宽内保持低插入损耗。

虽然有多种变压器拓扑结构都能满足这些电气要求，但环形脉冲变压器常用于PLC通信电路。然而，其传统的手工绕线工艺难以实现一致的绕线质量。此外，为了承受高压，这类变压器通常需进行树脂浸渍处理，这进一步增加了体积和成本。

脉冲变压器设计的新方法

在基于PLC的电动汽车充电控制电路中，脉冲变压器的设计侧重于信号性能，而非传统的功率级隔离。全自动化绕线技术提高了一致性并减少了变异性，有助于尽可能降低插入损耗。与手工绕线设计相比，这些方法还支持更小的外形尺寸和更具成本效益的制造。

此外，通过优化铁氧体选型和绕组几何结构，可在2MHz至30MHz的整个PLC频率范围内保持较低的插入损耗。对于xEV PLC应用，去除不必要的绝缘层可进一步缩小尺寸并降低寄生效应，且不会影响性能，因为控制电路无需达到与直接连接电网的大功率组件相同的隔离等级。

用于xEV充电控制电路的AMT45S

TDK AMT45S是一款专为满足电动汽车充电应用中PLC通信需求而设计的脉冲变压器。该产品采用全自动绕线技术制造，且未采用树脂涂层，这有助于缩小尺寸，并使其比其他解决方案更具成本效益。其铁氧体和绕组几何结构均经过从零开始的全新开发，旨在整个2MHz至30MHz频率带宽内提供尽可能低的插入损耗（图2）。

图2：TDK AMT45S在整个PLC频率范围内均表现出极低的插入损耗。（图源：TDK）

AMT45S脉冲变压器经过专门设计，可在漫长的使用寿命内保持最高可靠性。其小巧的占用空间使其非常适合用于抗干扰控制布局的核心位置。该器件还适用于车载充电器和充电站。为了支持设计集成，该器件已通过多种PLC芯片组的验证，包括高通的QCA系列和Lumissil的IS32CG系列。

结语

随着电动汽车充电基础设施的持续扩展，控制电路通信的可靠性已成为决定充电器整体性能的关键因素。在功率水平提高、布局更紧凑以及电磁干扰（EMI）加剧的情况下，要保持PLC信号的完整性，就必须仔细关注通信路径中的每一个元件，这使得脉冲变压器从一个辅助组件转变为关键使能器。TDK AMT45S等专用解决方案表明，变压器设计方面的进步——通过低插入损耗、有效隔离和紧凑的外形尺寸——能够直接支持现代xEV充电器中符合标准且抗干扰的PLC通信。

随着充电系统的持续演进，越来越明显的是：未来快速、可靠的电动汽车充电不仅取决于电力传输的效率，还取决于控制信号能否在传输过程中保持纯净且稳定。