帶有靜電保護器件的介面總線收發器於充電設施應用

摘 要: 駕駛員對充電設施操作過程中會有系統等級(IEC 61000-4-2)的靜電能量衝擊於設施中，充電設施在設計時可選用帶有靜電保護器件的總線收發器，達到設施保證資料交換的穩定性與信賴性。

一.  前言

        隨著電動汽車市場需求的增長，也帶動充電樁設備的市場需求。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備達到一定程度的影響。故設計時選用帶有基本靜電防護的介面通訊芯片，除了可節省電路的總器件外，更可提升系統運作的穩定性與信賴性。相關的國家法規更定義出，充電設備與汽車充電時的通訊端口。

一.  充電樁種類與架構

2-1.充電樁種類

        國家電網公司公告的Q/GDW 478-2010標準「電動汽車充電設施建設技術導則」內，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，並將交流因其充電設備使用過程中必須透過人員或是駕駛員本身來進行操作，故設備本身除了會設計針對支付相關安全、各種探頭報警的功能、安防安全性設計和人員操作過程中因靜電相關造成的安全疑慮都必須適當的被排除。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備（Charging Equipment）。   　

        交流充電樁俗稱”慢充”只有提供電力輸出，並沒有充電的功能，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＂的主要原因是由於車載充電機的功率並不大，所以無法實現快速充電。以一輛純電動汽車（普通電池容量）若經過完全放電後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備，因此設備並不在電動汽車上而是直接與交流電網進行連接，故可以為非車載充電機的電動汽車蓄電池提供充電。直流充電設備是以三相四線方式供電，並且為可調製的直流電，故可以輸出的電壓與電流調整範圍大，可實現快速充電的要求。   　

        另外，交流充電設備與直流充電設備在充電接口不一樣，直流充電設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。此資訊可透過GB/T 20234-2015標準得知。

2-2.充電樁硬體

        從國家電網公告的標準Q/GDW 485-2010「電動汽車交流充電樁技術條件」與Q/GDW 1233-2014「電動汽車非車載充電機通用要求」，針對充電設備幾個主要的功能有包含：主控單元、人機互動系統、計量系統、付費系統、通訊系統和安全防護系統功能整合於充電設備中。下圖1示意為一個充電系統支持的單元與裝置說明。

圖1

        根據GB/T 20234.1-2015「電動汽車傳導充電用連接裝置」規範，直流充電設備的連接接口將使用CAN總線來與充電機或是控制充電過程。RS-485介面則與智能電表連接統計使用電量與漏電檢測。RS-232介面可連接無線模組或是支付費用的相關硬體，帳單列印等。另外，有些主系統板也支援USB介面透過3G/4G/GPRS模組與後端資料收集中心。

三.充電設備EMC防護需求

        因其充電設備使用過程中必須透過人員或是駕駛員本身來進行操作，故設備本身除了會設計針對支付相關安全、各種探頭報警的功能、安防安全性設計和人員操作過程中因靜電相關造成的安全疑慮都必須適當的被排除。

3-1.交流充電設備EMC防護需求

        在國家電網公司公告的標準中，Q/GDW 485-2010「電動汽車交流充電樁技術條件」提示到，交流充電樁的主要功能包括：人機交互系統、計量系統、支付刷卡付費系統、通訊系統、安全防護、具備自我故障檢測與報警功能。符合工作環境於-20℃ ~ +50℃間的相對濕度為5% ~ 35%，若有特殊環境則條件可再協調訂製。 

        於標準中Q/GDW 485-2010提到的電磁兼容規範必須符合國標GB 7251.1-2005 / IEC 60439-1:1999定義的設備，其中若非滿足於7.10.2中提到a)和b)要求的成套設備或其部件，則應參照如下的EMC試驗標準並滿足在等級3（Level 3）。如下表1。

表1

3-2.直流充電設備EMC防護需求

        在國家電網公司公告的標準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成硬體包括：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介面等。工作環境溫度：-20℃ ~ +50℃；相對濕度：5% ~ 95%。其上的工作環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。其要求充電設備都須能承受在至少防護等級３的試驗。

表 2

四.通訊介面應用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總線收發器，可依據不同硬體架構對應通訊介面，以下對可提供的收發器特性做說明。

4-1. RS-232收發器芯片系列

        美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）於1962年定義出RS-232標準，並於1969年提出RS-232-C修改，目前最新版本則是RS-232-F。RS-232內定義的是一種串列通訊介面標準，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定，但並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，故出現了DB-9、DB-15和DB-25的連接器形式。     

        在充電樁內電路板設計，由於傳輸速度與通訊介面應用的考量，在評估特性與對外裝置通訊介面適合性會選用RS-232進行通訊。晶焱科技提供完整的RS-232收發器芯片方案，如下表3。

表 3

        RS-232接收器系列有幾個主要區塊如下圖2，包含有Bipolar Charge Pump電路、TX與RX電路與Auto-powerdown電路。提供的優勢如下：符合最新TIA/EIA-232-F國際標準、可支援3V~5.5V輸入電源的應用、多個傳送接收口應用與系統等級靜電防護規範（IEC61000-4-2），可達到空氣放電（Air discharge）±15kV與接觸放電（Contact discharge）8kV規格。元件本身也提供多種可對應主流應用的封裝需求。   

        其中，接收器本身更提供Auto-Powerdown的電路，主要用來偵測RS-232的總線上是否有裝置連接，若無裝置連接將關閉進行省電功能，此功能也適合應用於掌上型的產品來提升使用效率與延長電池壽命。在電源部分，收發器本身內建負回授調節器（Negative feedback regulator）可提升電壓穩定度，在收發器本身進度Auto-powerdown模式時，可讓charge pump電路維持在小於1uA的漏電流來達到省電目的。

圖2

4-2. RS-485收發器芯片系列

        TIA/EIA-RS485標準由RS-422發展而來，在其基礎上RS-485標準增加多點與辦雙工的雙向通訊能力，也擴展總線上的共模電壓範圍。相對於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收發器系列，可對應目前充電樁內部通訊介面應用。電壓範圍可對應3.3V與5V的主晶片應用環境，資料傳輸速率最高可達16Mbps。其中，AZRS3082與AZRS3088型號，如圖３。在系統靜電防護等級中IEC 61000-4-2可達±30kV、保護浪湧（IEC 61000-4-5）等級到±30A（8/20us）且脈衝群IEC 61000-4-4（5/50ns）防護等級達到±88A。在HBM針對所有RS-485晶片的腳位元防護等級達到±15kV，在ＭＭ±800V更是達到工業環境應用的等級。應用部分有推出高VOD2，其最小值在2.3V（測試條件為54ohm負載）的應用。更有無極性產品應用如：AZRS485N與AZRS5485的產品，其中優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。

圖 3

        收發器的共模電壓範圍在標準國際規範為-7V ~ +12V，所有晶焱科技產品在設計上都將規格調整為-13V ~ +13V，可以抵抗更大的干擾範圍並保持高的資料傳送成功率。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生短路、開路、閒置狀態時能維持在高位準狀態。透過優化接收器輸入阻抗的特性，更將輸入阻抗設計到96Kohm，讓原本可支援32個裝置的能力提升了8倍，可支援最高到256個裝置的應用。

表 4

4-3. CAN總線收發器芯片系列

        CAN總線收發器是控制器區域網絡(Controller Area Network)也是種串行通訊協議。在1993年推出ISO 11898標準，剛推出時主要應用於汽車內部各個單元部件的通訊。由於CAN總線應用可對汽車提供更高的可靠性、更高的性能、即時性的優點，目前也已廣泛應用於工業自動化、控制設備、交通工具、建築、醫療儀器等。   

        AZCAN1042T總線收發器已經取得汽車相關的AEC-Q100資質，芯片的特點如下表5。對其芯片進行相關的系統級EMC驗證，目的要模擬客戶端應用時的特性表現，其相關的驗證項目參考於表6，並可提供第三方的相關數據報告。AZCAN1042T提供工作模式與待機模式兩種，於待機模式時可透過圖4中Wake-Up filter電路來喚醒芯片，對有耗電優化需求的產品裝置提供對應。並可透過SPLIT與VIO腳位對應主芯片為5V與3.3V的電壓應用。

 圖 4

        CAN總線其穩定度與傳輸距離優勢可應用於不同RS-232和RS-485的環境，如汽車或是能源車的充電樁。AZCAN1042T符合ISO 11898-2:2016 CAN FD標準，在傳輸速度上支援到2Mbps。在其對外的CANH/CANL總線腳位的保護能力有Fault Voltage、浪湧防禦與靜電防護能力做提升，都是此系列主要推薦應用在充電設備與汽車的幾大優勢。可參考下表。

表 5

表 6

五.小結

        晶焱科技提供的收發器系列可對應不同環境與電壓應用，針對不同的需求提供對應的方案。並取得最優化特性同時取得防靜電特性保護。下表7依據目前RS-232、RS-485與CAN總線可對應的相關國際靜電標準做對應參考。

        溫度環境應用方面，目前要求的充電設備不管是直流或是交流充電設備，操作環境溫度在-20℃ ~ +50℃之間，現有的RS-232，RS-485接收器系列應用環境都可達到此要求，RS-485系列更是滿足工控應用的環境場合。其CAN總線AZCAN1042T的工作溫度更可達到-40℃ ~ +150℃，可以完全應付於汽車的嚴苛應用。

Table 7