帶有靜電保護(hù)器件的界面總線收發(fā)器于充電設(shè)施應(yīng)用

林孟蔚

摘 要：駕駛員對充電設(shè)施操作過程中會有系統(tǒng)等級（IEC 61000-4-2）的靜電能量沖擊于設(shè)施中，充電設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)可選用帶有靜電保護(hù)器件的總線收發(fā)器，達(dá)到設(shè)施保證數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性與信賴性。關(guān)鍵詞：RS-232;RS-485;CAN總線;AEC-Q認(rèn)證中圖分類號：U462? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-74-05

1 前言

隨著電動汽車市場需求的增長，也帶動充電樁設(shè)備的市場需求。充電樁除了在對汽車進(jìn)行充電時(shí)會對周圍電路產(chǎn)生極大的干擾，同時(shí)操作人員本身可能也會有靜電能量對設(shè)備達(dá)到一定程度的影響。故設(shè)計(jì)時(shí)選用帶有基本靜電防護(hù)的接口通訊芯片，除了可節(jié)省電路的總器件外，更可提升系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性與信賴性。相關(guān)的國家法規(guī)更定義出，充電設(shè)備與汽車充電時(shí)的通訊接口。

2 充電樁種類與架構(gòu)

2.1 充電樁種類

國家電網(wǎng)公司公告的Q/GDW 478-2010標(biāo)準(zhǔn)「電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則」內(nèi)，有提到兩種充電裝置。有交流充電樁（AC charging spot）與非車載充電機(jī)（Off-board charger）兩款，其中交流充電樁又稱交流供電裝置，是指用傳導(dǎo)方式為具有車載充電機(jī)的電動汽車提供交流電能的專用裝置。而非車載充電機(jī)則是種固定安裝在地面，并將交流電能變換成為直流電能，使用傳導(dǎo)方式為電動汽車動力蓄電池充電的專用裝置。這兩款裝置可簡稱充電設(shè)備（Charging Equipment）。

交流充電樁俗稱“慢充”只有提供電力輸出，并沒有充電的功能，因?yàn)槭峭高^連接車載充電機(jī)來為電動汽車充電。會稱為“慢充”的主要原因是由于車載充電機(jī)的功率并不大，所以無法實(shí)現(xiàn)快速充電。以一輛純電動汽車（普通電池容量）若經(jīng)過完全放電后通過交流充電樁充滿需要大概8小時(shí)，而以直流充電樁大約只需要2～3小時(shí)達(dá)到快充。

非車載充電機(jī)即直流充電設(shè)備，因此設(shè)備并不在電動汽車上而是直接與交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，故可以為非車載充電機(jī)的電動汽車蓄電池提供充電。直流充電設(shè)備是以三相四線方式供電，并且為可調(diào)制的直流電，故可以輸出的電壓與電流調(diào)整范圍大，可實(shí)現(xiàn)快速充電的要求。

另外，交流充電設(shè)備與直流充電設(shè)備在充電接口不一樣，直流充電設(shè)備因?yàn)槭侵苯訉π铍姵爻潆?，故在連接的接口上會有CAN總線通訊訊號。此信息可透過GB/T 20234-2015標(biāo)準(zhǔn)得知。

2.2 充電樁硬件

從國家電網(wǎng)公告的標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 485-2010「電動汽車交流充電樁技術(shù)條件」與Q/GDW 1233-2014「電動汽車非車載充電機(jī)通用要求」，針對充電設(shè)備幾個(gè)主要的功能有包含：主控單元、人機(jī)互動系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、付費(fèi)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)功能整合于充電設(shè)備中。下圖1示意為一個(gè)充電系統(tǒng)支持的單元與裝置說明。

根據(jù)GB/T 20234.1-2015「電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置」規(guī)范，直流充電設(shè)備的連接接口使用CAN總線來與充電機(jī)或是控制充電過程。RS-485接口則與智能電表連接統(tǒng)計(jì)使用電量與漏電檢測。RS-232接口可連接無線模塊或是支付費(fèi)用的相關(guān)硬件，賬單打印等。另外，有些主系統(tǒng)板也支持USB接口透過3G/4G/GPRS模塊與后端數(shù)據(jù)收集中心連接。

3 充電設(shè)備EMC防護(hù)需求

因其充電設(shè)備使用過程中必須透過人員或是駕駛員本身來進(jìn)行操作，故設(shè)備本身除了會設(shè)計(jì)針對支付相關(guān)安全、各種探頭報(bào)警的功能、安防安全性設(shè)計(jì)和人員操作過程中因靜電相關(guān)造成的安全疑慮都必須適當(dāng)?shù)谋慌懦?/p>

3.1 交流充電設(shè)備EMC防護(hù)需求

在國家電網(wǎng)公司公告的標(biāo)準(zhǔn)中，Q/GDW 485-2010「電動汽車交流充電樁技術(shù)條件」提示到，交流充電樁的主要功能包括：人機(jī)交互系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、支付刷卡付費(fèi)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全防護(hù)、具備自我故障檢測與報(bào)警功能。符合工作環(huán)境于-20℃～+50℃間的溫度、相對濕度為5% ～ 35%，若有特殊環(huán)境則條件可再協(xié)調(diào)訂制。

于標(biāo)準(zhǔn)中Q/GDW 485-2010提到的電磁兼容規(guī)范必須符合國標(biāo)GB 7251.1-2005 / IEC 60439-1：1999定義的設(shè)備，其中若非滿足于7.10.2中提到a）和b）要求的成套設(shè)備或其部件，則應(yīng)參照如下的EMC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并滿足在等級3（Level 3）。如下表1。

3.2 直流充電設(shè)備EMC防護(hù)需求

在國家電網(wǎng)公司公告的標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1233-2014「電動汽車非車載充電機(jī)通用要求」中提示到，非車載充電機(jī)的基本構(gòu)成硬件包括：功率單元、控制單元、計(jì)量單元、充電接口、供電接口及人機(jī)交互界面等。工作環(huán)境溫度：-20℃～ +50℃;相對濕度：5%～95%。其上的工作環(huán)境溫度與濕度下必須符合的電磁兼容性可分幾種，如下表2。其要求充電設(shè)備都須能承受在至少防護(hù)等級3的試驗(yàn)。

4 通訊接口應(yīng)用RS-232 / RS-485 / CAN總線

晶焱科技提供帶有靜電防護(hù)等級的RS-232，RS-485與CAN總線收發(fā)器，可依據(jù)不同硬件架構(gòu)對應(yīng)通訊接口，以下對可提供的收發(fā)器特性做說明。

4.1 RS-232收發(fā)器芯片系列

美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）于1962年定義出RS-232標(biāo)準(zhǔn)，并于1969年提出RS-232-C修改，目前最新版本則是RS-232-F。RS-232內(nèi)定義的是一種串行通訊接口標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了通訊時(shí)的電氣特性、邏輯電位、傳輸線電阻特性與信號線的功能規(guī)定，但并無對連接器的物理特性進(jìn)行定義。也因標(biāo)準(zhǔn)沒有定義連接器特性，故出現(xiàn)了DB-9、DB-15和DB-25的連接器形式。

在充電樁內(nèi)電路板設(shè)計(jì)，由于傳輸速度與通訊接口應(yīng)用的考慮，在評估特性與對外裝置通訊接口適合性會選用RS-232進(jìn)行通訊。晶焱科技提供完整的RS-232收發(fā)器芯片方案，如下表3。

RS-232接收器系列有幾個(gè)主要區(qū)塊如下圖2，包含有Bipolar Charge Pump電路、TX與RX電路與Auto-powerdown電路。提供的優(yōu)勢如下：符合最新TIA/EIA-232-F國際標(biāo)準(zhǔn)、可支持3V～5.5V輸入電源的應(yīng)用、多個(gè)傳送接收口應(yīng)用與系統(tǒng)等級靜電防護(hù)規(guī)范（IEC61000-4-2），可達(dá)到空氣放電（Air discharge）±15kV與接觸放電（Contact discharge）8kV規(guī)格。組件本身也提供多種可對應(yīng)主流應(yīng)用的封裝需求。

其中，接收器本身更提供Auto-powerdown的電路，主要用來偵測RS-232的總在線是否有裝置連接，若無裝置連接將關(guān)閉進(jìn)行省電功能，此功能也適合應(yīng)用于掌上型的產(chǎn)品來提升使用效率與延長電池壽命。在電源部分，收發(fā)器本身內(nèi)建負(fù)回授調(diào)節(jié)器（Negative feedback regulator）可提升電壓穩(wěn)定度，在收發(fā)器本身進(jìn)入Auto-powerdown模式時(shí)，可讓charge pump電路維持在小于1μA的漏電流來達(dá)到省電目的。

4.2 RS-485收發(fā)器芯片系列

TIA/EIA-RS485標(biāo)準(zhǔn)由RS-422發(fā)展而來，在其基礎(chǔ)上RS-485標(biāo)準(zhǔn)增加多點(diǎn)與辦雙工的雙向通訊能力，也擴(kuò)展總線的共模電壓范圍。相對于TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，RS-485提供更高的傳輸速率到10Mb/s和總線長度400英呎。

下表4中，晶焱科技提供的RS-485收發(fā)器系列，可對應(yīng)目前充電樁內(nèi)部通訊接口應(yīng)用。電壓范圍可對應(yīng)3.3V與5V的主芯片應(yīng)用環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)16Mbps。其中，AZRS3082與AZRS3088型號，如圖3。在系統(tǒng)靜電防護(hù)等級中IEC 61000-4-2可達(dá)±30kV、保護(hù)浪涌（IEC 61000-4-5）等級到±30A（8/20μs）且脈沖群IEC 61000-4-4（5/50ns）防護(hù)等級達(dá)到±88A。在HBM針對所有RS-485芯片的腳位元防護(hù)等級達(dá)到±15kV，在MM±800V更是達(dá)到工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的等級。應(yīng)用部分有推出高VOD2，其最小值在2.3V（測試條件為54ohm負(fù)載）的應(yīng)用。更有無極性產(chǎn)品應(yīng)用如：AZRS485N與AZRS5485的產(chǎn)品，其中優(yōu)點(diǎn)是讓前端進(jìn)行配線的工程人員不用擔(dān)心會有連接錯(cuò)誤的問題。

表4

收發(fā)器的共模電壓范圍在標(biāo)準(zhǔn)國際規(guī)范為-7V ～ +12V，所有晶焱科技產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上都將規(guī)格調(diào)整為-13V ～ +13V，可以抵抗更大的干擾范圍并保持高的數(shù)據(jù)傳送成功率。RS-485整個(gè)系列也提供Fail-Safe的保護(hù)機(jī)制，防止接收器的輸入端發(fā)生短路、開路、閑置狀態(tài)時(shí)能維持在高位準(zhǔn)狀態(tài)。透過優(yōu)化接收器輸入阻抗的特性，更將輸入阻抗設(shè)計(jì)到96Kohm，讓原本可支持32個(gè)裝置的能力提升了8倍，可支持最高到256個(gè)裝置的應(yīng)用。

4.3 CAN總線收發(fā)器芯片系列

CAN總線收發(fā)器是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）也是種串行通訊協(xié)議。在1993年推出ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，剛推出時(shí)主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部各個(gè)單元部件的通訊。由于CAN總線應(yīng)用可對汽車提供更高的可靠性、更高的性能、實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，目前也已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、控制設(shè)備、交通工具、建筑、醫(yī)療儀器等。

AZCAN1042T總線收發(fā)器已經(jīng)取得汽車相關(guān)的AEC- Q100資質(zhì)，芯片的特點(diǎn)如表5。對其芯片進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)級EMC驗(yàn)證，目的要模擬客戶端應(yīng)用時(shí)的特性表現(xiàn)，其相關(guān)的驗(yàn)證項(xiàng)目參考于表6，并可提供第三方的相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告。AZCAN1042T提供工作模式與待機(jī)模式兩種，于待機(jī)模式時(shí)可透過圖4中Wake-Up filter電路來喚醒芯片，對有耗電優(yōu)化需求的產(chǎn)品裝置提供對應(yīng)。并可透過SPLIT與VIO腳位對應(yīng)主芯片為5V與3.3V的電壓應(yīng)用。

CAN總線其穩(wěn)定度與傳輸距離優(yōu)勢可應(yīng)用于不同RS-232和RS-485的環(huán)境，如汽車或是能源車的充電樁。AZCAN1042T符合ISO 11898-2：2016 CAN FD標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸速度上支持到2Mbps。在其對外的CANH/CANL總線腳位的保護(hù)能力有Fault Voltage、浪涌防御與靜電防護(hù)能力，都是此系列主要推薦應(yīng)用在充電設(shè)備與汽車的幾大優(yōu)勢?？蓞⒖枷卤怼?/p>

5 小結(jié)

晶焱科技提供的收發(fā)器系列可對應(yīng)不同環(huán)境與電壓應(yīng)用，針對不同的需求提供對應(yīng)的方案。并取得最優(yōu)化特性下同時(shí)取得防靜電特性保護(hù)。下表7依據(jù)目前RS-232、RS-485與CAN總線可對應(yīng)的相關(guān)國際靜電標(biāo)準(zhǔn)做對應(yīng)參考。

溫度環(huán)境應(yīng)用方面，目前要求的充電設(shè)備不管是直流或是交流充電設(shè)備，操作環(huán)境溫度在-20℃～ +50℃之間，現(xiàn)有的RS-232，RS-485接收器系列應(yīng)用環(huán)境都可達(dá)到此要求，RS-485系列更是滿足工控應(yīng)用的環(huán)境場合。其CAN總線AZCAN1042T的工作溫度更可達(dá)到-40℃～ +150℃，可以完全應(yīng)付于汽車的嚴(yán)苛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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