帶有靜電保護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)計時可選用帶有靜電保護器件的總線收發(fā)器，達到設(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認證中圖分類號：U462? 文獻標識碼：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行充電時會對周圍電路產(chǎn)生極大的干擾，同時操作人員本身可能也會有靜電能量對設(shè)備達到一定程度的影響。故設(shè)計時選用帶有基本靜電防護的接口通訊芯片，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標準「電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)導則」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（Off-board charger）兩款，其中交流充電樁又稱交流供電裝置，是指用傳導方式為具有車載充電機的電動汽車提供交流電能的專用裝置。而非車載充電機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，因為是透過連接車載充電機來為電動汽車充電。會稱為“慢充”的主要原因是由于車載充電機的功率并不大，所以無法實現(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，而以直流充電樁大約只需要2～3小時達到快充。

非車載充電機即直流充電設(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)進行連接，故可以為非車載充電機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)備因為是直接對蓄電池充電，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標準得知。

2.2 充電樁硬件

從國家電網(wǎng)公告的標準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通用要求」，針對充電設(shè)備幾個主要的功能有包含：主控單元、人機互動系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、付費系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)功能整合于充電設(shè)備中。下圖1示意為一個充電系統(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總線來與充電機或是控制充電過程。RS-485接口則與智能電表連接統(tǒng)計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行操作，故設(shè)備本身除了會設(shè)計針對支付相關(guān)安全、各種探頭報警的功能、安防安全性設(shè)計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?shù)谋慌懦?/p>

3.1 交流充電設(shè)備EMC防護需求

在國家電網(wǎng)公司公告的標準中，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：人機交互系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、支付刷卡付費系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、安全防護、具備自我故障檢測與報警功能。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。

于標準中Q/GDW 485-2010提到的電磁兼容規(guī)范必須符合國標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試驗標準并滿足在等級3（Level 3）。如下表1。

3.2 直流充電設(shè)備EMC防護需求

在國家電網(wǎng)公司公告的標準Q/GDW 1233-2014「電動汽車非車載充電機通用要求」中提示到，非車載充電機的基本構(gòu)成硬件包括：功率單元、控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等。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等級3的試驗。

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標準，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準，主要定義了通訊時的電氣特性、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行定義。也因標準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，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國際標準、可支持3V～5.5V輸入電源的應(yīng)用、多個傳送接收口應(yīng)用與系統(tǒng)等級靜電防護規(guī)范（IEC61000-4-2），可達到空氣放電（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)器本身進入Auto-powerdown模式時，可讓charge pump電路維持在小于1μA的漏電流來達到省電目的。

4.2 RS-485收發(fā)器芯片系列

TIA/EIA-RS485標準由RS-422發(fā)展而來，在其基礎(chǔ)上RS-485標準增加多點與辦雙工的雙向通訊能力，也擴展總線的共模電壓范圍。相對于TIA/EIA-232-F標準，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16Mbps。其中，AZRS3082與AZRS3088型號，如圖3。在系統(tǒng)靜電防護等級中IEC 61000-4-2可達±30kV、保護浪涌（IEC 61000-4-5）等級到±30A（8/20μs）且脈沖群IEC 61000-4-4（5/50ns）防護等級達到±88A。在HBM針對所有RS-485芯片的腳位元防護等級達到±15kV，在MM±800V更是達到工業(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)點是讓前端進行配線的工程人員不用擔心會有連接錯誤的問題。

表4

收發(fā)器的共模電壓范圍在標準國際規(guī)范為-7V ～ +12V，所有晶焱科技產(chǎn)品在設(shè)計上都將規(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整個系列也提供Fail-Safe的保護機制，防止接收器的輸入端發(fā)生短路、開路、閑置狀態(tài)時能維持在高位準狀態(tài)。透過優(yōu)化接收器輸入阻抗的特性，更將輸入阻抗設(shè)計到96Kohm，讓原本可支持32個裝置的能力提升了8倍，可支持最高到256個裝置的應(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標準，剛推出時主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部各個單元部件的通訊。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、實時性的優(yōu)點，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)，芯片的特點如表5。對其芯片進行相關(guān)的系統(tǒng)級EMC驗證，目的要模擬客戶端應(yīng)用時的特性表現(xiàn)，其相關(guān)的驗證項目參考于表6，并可提供第三方的相關(guān)數(shù)據(jù)報告。AZCAN1042T提供工作模式與待機模式兩種，于待機模式時可透過圖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標準，在傳輸速度上支持到2Mbps。在其對外的CANH/CANL總線腳位的保護能力有Fault Voltage、浪涌防御與靜電防護能力，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?。

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)化特性下同時取得防靜電特性保護。下表7依據(jù)目前RS-232、RS-485與CAN總線可對應(yīng)的相關(guān)國際靜電標準做對應(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的工作溫度更可達到-40℃～ +150℃，可以完全應(yīng)付于汽車的嚴苛應(yīng)用。

參考文獻

[1] Q/GDW 478-2010 電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)導則，國家電網(wǎng)公司.

[2] GB/T 20234-2015 電動汽車傳導充電用連接裝置第三部分：直流充電接口，中國國家標準化管理委員會.

[3] Q/GDW 485-2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件，國家電網(wǎng)公司.

[4] Q/GDW 1233-2014 電動汽車非車載充電機通用要求，國家電網(wǎng)公司.

[5] ISO 11898-2：2016 Road vehicles–Controller are network （CAN）–Part 2： High-speed medium access unit， International Organization for Standardization.