nand flash接口设计支持国网，南网充电桩使用，舟拓直流充电桩控制器方案解析

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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支持国网、南网充电桩使用，舟拓直流充电桩控制器方案解析

前言

充电头网拿到了南京舟拓信息技术有限公司推出的直流充电桩控制器ZT-DCG-120S，这款控制器支持双路直流充电枪使用，采用全面国产化设计。内部处理器，电源芯片，接口芯片以及继电器等核心器件均采用国产品牌，一方面提升供应链安全性，另一方面降低了整体成本。

值得一提的是，整套方案在设计上，采用了川土微旗下CA-IS3642HVW数字隔离器、CA-IS2092W/CA-IS2062W收发器、CA-IS3641HVW隔离芯片、CA-IS3417WT隔离开关、CA-IS3980P接收器等五款芯片，简化隔离通信电路设计，为直流充电桩控制器的稳定运行提供有力支持。

这款控制器采用智能芯片控制，整板采用工业级温度元器件，兼容GB/T27930-2015和GB/T27930-2011充电标准，兼容华为/中兴/英飞源/英可瑞/麦格米特等充电模块，并支持国网、南网充电桩使用。

控制器采用RS485接口与电能计量装置通讯，支持CAN总线与电动汽车BMS通信，支持CAN总线与充电控制器进行通信，实现电量测量，充电控制与集中控制，还支持以太网和无线通信模块，用于网络传输需求。下面就带来这款充电桩控制器的解析，一起看看控制器的用料信息。

舟拓直流充电桩控制器外观

在PCB正面上下设有接线端子，分别用于开入和开出信号连接。上方左侧和中间端子为开入，右侧端子用于充电枪辅助电源和风机和交流接触器控制。下方左侧和中间端子为开出，右侧端子连接充电枪指示灯和电子锁。

在左上角设有拨码开关和USB插座，右侧上方设有黑色继电器用于供电控制，下方设有两颗电解电容。左下角设有两组继电器用于开出，继电器线圈通过光耦进行隔离，开入端子设有TVS二极管保护，供电端子设有自恢复保险丝。

PCB背面中间和右侧设有连接排针，用于通信和供电。对应两颗电解电容的位置镂空降低厚度。开出焊盘露铜加锡，增强载流量。

下层PCB为主控PCB，下方中间接线端子用于连接屏幕和读卡器以及电能表和传感器。下方右侧端子为CAN通信接口，分别连接功率模组，储能电池包和A，B充电枪。右上角接线端子用于连接A充电枪，进行温度，CC1，绝缘电压，电压和电流采样，左上角接线端子用于B枪采样，上方中间三针接线端子用于控制器供电。

在PCB背面焊接六颗光耦。两片PCB通过铜柱和螺丝固定。

实测PCBA模块长度约为25cm。

模块宽度约为14cm。

重量约为521g。

舟拓直流充电桩控制器解析

电源输入端子特写，两侧设有螺丝锁紧，控制器其他端子也为同样形式。

输入端自恢复保险丝用于过流保护。

二极管用于输入防反接。

DC-DC模块电源来自Wispower伟仕电源，型号为WSD10-24S5，模块支持9-36V输入电压，输出电压为5.05V，输出电流2A。

主控MCU来自Nuvoton新唐，型号NUC980DK61YC，采用ARM926EJ-S核心，主频高达300MHz，芯片内置64MB DDR2内存，具备10组UART接口，具备SDIO/eMMC接口，Nand Flash接口，QSPI存储器接口，4组CAN总线接口，以太网MAC和USB2.0接口，采用128-pin LQFP封装，符合-40~85℃工业温度规格，用于工业自动化和物联网控制。

2-A端子两路RS232接口采用CHIPANALOG川土微CA-IS3642HVW，是一颗支持DC-100Mbps传输速率的高性能数字隔离器，芯片支持5kVRMS隔离耐压，内部还集成高效率低辐射DC-DC转换器用于隔离供电。

川土微CA-IS36XX系列数字隔离器具备双通道和四通道可选，并具备灵活的正向和反向通道选择，CA-IS3642内置四个隔离通道，为两个正向通道和两个反向通道，分别对应两组RS232接口。

川土微 CA-IS3642HVW 资料信息。

两颗RS-485通信芯片来自CHIPANALOG川土微，型号CA-IS2092W，隔离式半双工RS-485收发器，芯片内部集成隔离DC-DC转换器，无需外部隔离电源。芯片内部采用二氧化硅绝缘栅隔离，支持5V或3.3V单电源供电。

CA-IS2092W引脚具备20kV HBM ESD保护，可耐受高级别的ESD时间，保护内部电路。芯片提供DC-DC转换器和RS-485收发器供电独立的两种版本，便于逻辑侧与低压控制电路的信号交互。芯片采用SOIC16-WB封装。

川土微 CA-IS2092W 资料信息。

芯片前端设有TVS二极管，保险丝和气体放电管进行静电保护。

2-B端子使用四颗CHIPANALOG川土微CA-IS2062W隔离芯片用于CAN总线隔离通信，分别对应功率模组，储能电池包，A枪连接的BMS和B枪连接的BMS。

川土微CA-IS2062W隔离式CAN收发器内置DC-DC转换器，符合ISO 11898-2物理层标准，提供2.5kVRMS隔离耐压，总线引脚具备故障保护，数据速率高达1Mbps，采用SOIC16-WB封装。

对应485接口设有气体放电管，保险丝和TVS二极管用于静电保护。

CHIPANALOG川土微CA-IS3641HVW用于锐能微RN8209D电能检测芯片与MCU隔离通信，共使用八颗对应八颗电能检测芯片。

川土微CA-IS3641HVW具备四个隔离通道，其中三个为正向通道，一个为反向通道，用于SPI串行接口通讯。

隔离开关来自CHIPANALOG川土微，型号CA-IS3417WT，是一颗光耦兼容的增强型绝缘高压隔离开关，芯片内置背靠背碳化硅MOS，关断电压高达1700V，关断漏电流小于1μA，输出导通电阻为50Ω，导通电流高达50mA。

川土微CA-IS3417WT原边输入级为模拟二极管，在具备光耦输入特性的同时还具有更好的一致性，长期稳定性和更高的可靠性，无传统光耦的光衰老化特性。芯片采用12脚宽体SOIC封装，原副边耐压高达5kVRMS，引脚兼容主流光MOS继电器。

川土微 CA-IS3417WT 资料信息。

在上层的PCB上设有两颗CHIPANALOG川土微CA-IS3980P八通道数字输入隔离器，芯片兼容IEC61131-2 Type1、Type2、Type3输入。CA-IS3980P具有8路输入通道，为并行输出，CA-IS3980S为SPI串行输出，速率可达2Mbps。

川土微CA-IS3980内部集成2500VRMS隔离器，支持2.25V到5.5V单电源供电，芯片支持-40到125℃工作温度范围，采用20引脚SSOP封装。芯片符合多种国际认证，适用于PLC数字输入和现场数据采集等应用。

川土微 CA-IS3980 资料信息。

共使用两颗川土微CA-IS3980用于开入量采集。

存储器来自华邦，型号W25Q128JVSQ，容量为128Mbit，采用8-pin SOIC封装。

另一颗存储器来自富士通，型号MB85RC64TA，是一颗64Kbit的铁电存储器，采用8pin SOP封装。

加密芯片没有丝印。

无线通信模块来自QUECTEL移远科技，型号EC800M-CN，是一颗LTE模组，支持LTE Cat.1，专为M2M和IoT领域设计。

SIM卡槽特写。

天线连接器特写。

用于为通信模块供电的降压芯片来自钰泰半导体，丝印JG，实际型号ETA8110，是一颗18V输入电压，2A输出电流的同步降压转换器，芯片内置开关管，采用SOT23-6封装。

两颗47μF10V贴片电容用于输出滤波。

有线网卡芯片来自IC+九阳电子，型号IP101GRI，是一颗单接口10/100M快速以太网收发器物理层芯片，用于有线网络连接。

芯片外置25.000MHz时钟晶振特写。

丝印04A的TVS二极管阵列。

网络接口来自HanRun汉仁，型号HR911105A，内置隔离变压器和指示灯。

CR1220电池用于时钟运行。

用于电压检测的分压电阻网络特写。

八颗电能计量芯片用于充电枪内侧绝缘电压与外侧电压，电流检测。

电能计量芯片来自Renergy锐能微，型号RN8209D，支持有功电能计量和无功电能计量功能，具备SPI和UART接口用于与MCU通信。

芯片外置3.5795MHz时钟晶振特写。

干簧继电器来自Standex-Meder斯丹麦德，型号SHV05-BV88269。

TI德州仪器 SN74HC21双路四输入与门特写。

共设有两颗对应八颗隔离通信芯片。

连接端子两侧通过螺丝固定。

接口输入设有电阻和TVS用于过压保护。

奥伦德ORPC817光耦用于继电器线圈隔离驱动。

用于开出的继电器七颗继电器特写。

开出信号继电器来自HONGFA宏发，型号HF49FD/012-1H12，为小型中功率继电器，线圈电压12V，内置一组常开触点，触点容量为5A 250V。

六颗继电器用于A，B充电枪辅助电源以及交流风机电源和交流接触器控制。

继电器来自HONGFA宏发，型号HF115F/012-1HS3，为小型大功率继电器，线圈电压12V，内置一组常开触点，触点容量为16A 250VAC。

八颗光耦连接开出控制。

1C接口用于A，B充电枪指示灯和电子锁控制。

自恢复保险丝和保险丝特写。

用于控制电子锁的继电器来自HONGFA宏发，型号HFD3/12，为超小型信号继电器，线圈电压12V，内置两组转换触点，触点容量为0.5A 125VAC。

用于电子锁动作的电解电容来自艾华，规格为25V10000μF。

蓝牙通信芯片来自富芮坤，型号FR8012HAQ，芯片兼容蓝牙V5.1模式，内置ARM Cortex-M3内核，主频48MHz，芯片内置512KB Flash，48KB SRAM和128KB ROM，芯片内部集成DC-DC和LDO，具备GPIO接口等常用接口。

24.000MHz贴片晶振用于为蓝牙芯片提供时钟。

用于配置控制器地址和功能的两个拨码开关特写。

调试USB接口采用过孔焊接。

USB数据引脚设有TVS阵列进行静电保护。

沁恒CH340N USB转串口芯片用于计算机与控制器连接进行调试。

两颗MS4553S 2bit双向电平转换器特写。

三颗指示灯分别用于故障指示，运行指示和电源指示。

充电头网总结

舟拓直流充电桩控制器ZT-DCG-120S具备两个充电枪接口，对应的信号采集与隔离通信芯片为双路配置，控制器通过RS485接口与电能计量装置通信，通过CAN总线与BMS和充电控制器通信，RS232接口与读卡器和屏幕通信。

通过解析发现，这款充电桩控制器内部大量采用川土微数字隔离器，RS232接口采用CA-IS3642HVW，RS485接口采用CA-IS2092W，CAN总线通信采用CA-IS2062W，SPI隔离通信采用CA-IS3641HVW，四款芯片均内置DC-DC转换器，简化隔离通信电路设计。

川土微CA-IS3417WT隔离开关内置碳化硅MOS管，关断电压高达1700V。对应开入量检测使用CA-IS3980P隔离芯片。控制器内部使用新唐MCU，搭配功能模块，具备蓝牙，以太网和4G网络通信能力。

源同步接口设计1master篇

大家好，我是七点班车。记得之前跟朋友说自己撸的SPI NAND FLASH主控能够跑133MHz，朋友很诧异说：“SPI怎么可能跑这么高？”我也很愤怒——事实就摆在这，怎么可能跑不了？到底是哪里来的勇气，让他“口出狂言”，怀疑我的设计？。。。

接下来就用两篇文章来捋一捋鄙人对“源同步接口设计”的一些思考与见解。今天先上Master篇。

Master接口的瓶颈

源同步接口在设计中十分常见，例如SPI接口，async NAND FLASH接口。这类接口的时钟由master生成，并经过IO发送到slave中。对master的第一级寄存器来说，有着一段非常长的launch path（如图1.1所示）：时钟源S点到IO clk_o -> clk_o到reg1/clk ->reg1/clk到IO data_i -> data_i到reg0/D，如红色曲线，而capture path（时钟源S点到reg0/clk）相对比较短，如蓝色曲线。

图1.1

对于launch比较长，capture path比较短的路径，hold一般都不会有什么问题。但是setup就不一样了，launch path太长，则有可能导致下面公式不满足，从而带来setup违例。因此，接下来，我们就基于setup来讨论下这种源同步接口的设计问题。

为了能够更直观地分析，我们先来看看图1.2的波形图，其中最下面的黑色双向箭头为reg0的setuphold窗口（因为没搞懂怎么用timegen怎么画这窗口，所以只能凑合凑合了）。那么为了保证reg0能够正确地采样，D0必须在setuphold窗口之前保持稳定。用数学式来表示就是，reg0要能正确采样，必须要满足公式（1）。

tlaunch < T + tcapture - tsetup，其中tlaunch= ts2clk_o+tclk_o2clk + tclk2data_i + tdata_i2D,tcapture = ts2clk ——公式（1）

图1.2

我们将图1.1中的数值代入到公式中，可得：2+3+5+4<T+1- tsetup。由于tsetup比较小，这里暂且忽略不计。故可退出T>15ns,即接口的最大频率Freq_max=76.9MHz。天。。。。。。瓶颈在这！

提高频率的技巧（非设计层面）

如果要提高频率，要怎么办？我想答案已经很明显了，要么削短tlaunch，要么做长tcapture。

1. 在PCB layout中，将layout线延时tclk_o2clk和tclk2data_i做短。（由于兼容性等客观问题，这个往往不受我们控制）

2. 选用延时比较小的PAD（但是，在穷逼的公司，PAD不是说有就有的——骄傲的工程师可以天马行空，但是有时候又不得不接受骨干的现实）。

3. 在SDC中，将ts2clk_o 和tdata_i2D做短，具体做法是，将clk_o的output delay和data_i的input delay设大，即留给chip内部的delay变小。在STA中，需要格外关注，并把它做短，表1.1是鄙人在项目中统计的tdata_i2D真实值。

表1.1

4. 在PR或者STA fix timing的过程中，将ts2clk做长。但是这样子的做法，有可能会给后面的寄存器带来新的setup问题，如图1.3的reg2。所以一般不会这么干。

图1.3

然而，在某种程度上，IC设计上的问题就跟戴绿帽一样，发现得越晚，就越难！所以如果把问题推到STA再去解决的话，可能就是“好吃不过饺子。。。”的梗了。因此，能在设计上动刀，就动吧。

提高频率的技巧（设计增加采样点）

咱再来回顾下公式（1），tsetup 是寄存器的特有属性，改不了；除了上面提到的tlaunch和 tcapture，公式中还有一个“T”，我们能否在设计上将它“搞大”？

对于同源接口来说，slave就像个机器，它会严格按照协议规定来进行工作。就拿图1.4的SPI NAND FLASH（截图来自复旦微的手册）来说，在接收到命令后，经过一个dummy byte，也就是在第15个时钟下降沿，slave就必须把ID送出来。

图1.4

而Master占据了所有的主动权，毕竟它才是生成时钟的主。如果数据在第16个时钟上升沿到达不了，而是在第17个上升沿才到达，那Master也是可以在第17个上升沿才对数据进行采样的。因此，我们在设计Master的时候，可以适当增加一些采样点，每个采样点的间隔是半个周期，如图1.5粉色标号1/2/3/4所示。当D0在采样点1上出现违例时，可以把使用采样点2的数据，而对于采样点2来说，就增加了T/2。依次类推。。

图1.5

图1.6亮出了部分参考代码，自己慢慢体会吧。

图1.6

STA需要关注的bus对齐问题

谈到接口，就多少会涉及bus；涉及bus，就得关注对齐问题。如图1.7，假设reg0/D和reg3/D是数据bus，且这两个信号在电路上会出现重聚。从图中可以看出，无论是在采样点2，还是在采样点3中，就只能采到reg0/D和reg3/D中的一个。显然，两者重聚后，注定是个悲剧。因此，我们在STA中需要格外关注bus skew，不能让它超过半个周期。