精通IC－CPD设计：关于线缆内置控制与保护器件的软硬件基本指南
出处：网络整理 发布于：2026-06-11 16:07:00 | 24 次阅读
电动汽车 (EV) 市场正以指数级态势持续扩张，这一趋势与全球对环境保护和可持续交通的需求紧密相关。国际能源署的数据显示，预计到 2030 年，道路上的电动汽车保有量将达到约 5 亿辆。例如，2022 年至 2023 年间，纯电动汽车 (BEV) 与插电混动汽车 (PHEV) 的合计销量从 1020 万辆增至 1380 万辆，增幅达 35%。国际能源署预计，2030 年全球电动汽车年销量将达 4070 万辆，2035 年更将攀升至 5650 万辆。气候变化问题及人口密集居住区的空气污染问题，是推动高效、零尾气排放交通方式发展的主要动因。
随着电动汽车数量的可预见增长，市场不仅要应对激增的需求，更需提供高效的充电解决方案，在经济性、安全性与环境影响之间找到平衡点。据 Solaronev 针对全球不同地区的报告显示，多数私家车用户日均行驶里程仅约 30 英里，因此较低功率的充电水平已足以满足日常需求。对于家用电动汽车充电站而言，新车配备的线缆内置控制与保护器件 (IC-CPD) 可谓理想之选，这类器件能省去高功率充电设施在安装与维护环节的巨额成本。鉴于当前充电解决方案的考量日趋复杂，未来不仅电动汽车市场会持续繁荣，充电设备市场亦将迎来蓬勃发展的黄金期。
什么是电动汽车供电设备 (EVSE)？有哪些应用场景？
电动汽车供电设备 (EVSE) 是一种能让用户安全地为插电混动汽车 (PHEV) 或纯电动汽车 (BEV) 充电的设备。这类设备依据充电功率等级进行分类。在电动汽车领域的术语中，“充电等级” 指的是 SAE J1772 标准中定义的充电系统电力分配类型、标准及最大功率，该标准已在国际上通过 IEC 62196-1 被广泛采用。
模式 2 的标准功能
模式 2 是将电动汽车接入交流供电网络标准插座的充电方式，其核心在于借助具备控制引导 (CP) 功能的交流 EVSE，并在标准插头与电动汽车之间设置人身触电保护系统 [IEC 62752:2017 6.2.2]。
线缆内置控制与保护器件 (IC-CPD) 的核心功能在于触电防护。这一功能通过剩余电流器件 (RCD) 实现：既可以采用至少为 A 型的剩余电流器件搭配直流检测辅助电路，也可直接使用 B 型 RCD。这一功能至关重要，因为充电器可能用于户外、公共区域等易接触水的环境，且存在人员无意或有意触碰的风险。在此类场景中，保护接地必须存在，一旦发生故障，供电必须立即切断。
图 1.2 型 EVSE 的的通用框图。
图 1 展示了 2 型 IC-CPD 的通用框图。依据此框图衍生设计的电路，能够实现 IEC 61851-1 标准中规定的所有强制性功能。根据具体方案的不同，通用框图中的部分模块可能需要增设，也可能可以省略。例如，若通过电流互感器进行电流检测，那么在与微控制器单元 (MCU) 连接时，隔离集成电路便可省去；同理，若采用具备焊接检测功能的继电器，焊接检测电路也可不必设置。
ADI 公司的 2 型 EVSE
图 2.ADI 公司 2 型 EVSE 解决方案 AD-ACEVSECRDSET-SL 简化方框图。
图 2 为 ADI 公司 2 型电动汽车供电设备 (EVSE) 的框图，其中包含 ADE9113 3 通道隔离式 Σ - Δ 模数转换器 (ADC)，该转换器用于单相电源输入的电压和电流测量，还用于继电器电压的测量，以实现焊点接触检测。
通过添加 6 mA DC/30 mA rms RCD 可确保器件安全运行。此外，该器件还具备过压、欠压、过流、过热检测功能，以及保护接地 (PE) 检测和电动汽车二极管存在性检测功能。集成的隔离设计使与微控制器 (MCU) 的连接更为简便。MAX32655 超低功耗 Arm Cortex - M4 处理器负责实现系统控制逻辑，并通过控制引导 (CP) 接口与电动汽车进行通信。该解决方案还包含编程和调试接口。器件的蓝牙 ? 5.2 接口支持与外部器件的连接。MCU 与 ADE9113 之间通过串行外设接口 (SPI) 实现通信。
EVSE 与 EV 之间实现通信所需的 CP 信号，是通过 MAX32655 处理器和 ADA4523 - 1 低噪声、零漂移运算放大器生成的。
该系统由单相 230 V 交流输入供电。系统采用一款隔离式交流 - 直流开关模式电源 (SMPS) 为电路板提供 12 V 电压，同时使用适用于汽车应用的 MAX20457 高效双通道同步降压转换器，将电压降至 5 V 和 3.3 V，为电路板的隔离侧供电。采用反相配置的 LT8330 可生成 CP 信号低侧所需的 - 12 V 电压。
ADT75 12 位数字温度传感器负责监测器件温度，并将温度数据发送至 MCU，以实现过热保护。
该设计配有开源软件栈和参考应用程序，以便基于经过验证的成熟实施方案进行定制软件的开发，且该方案已通过验证，符合相关标准要求。该系统设计遵循 IEC 61851 和 IEC 62752 标准。
隔离式 ADC
ADE9113 是一款隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC，适用于采用分流电流传感器的多相电能计量应用。数据和电源隔离基于 ADI 公司的 iCoupler? 技术。该集成电路 (IC) 具有 3 个 ADC。其中一个通道在分流器用于电流感应时专门用来测量该分流器的电压。最多两个额外的通道专用于测量电压，通常采用电阻分压器来检测电压。在本应用中，其中一个电压通道用于检测继电器触点是否焊接。
这款 ADC 内置了 isoPower? 器件，即一款集成式隔离型直流 - 直流转换器。该直流 - 直流转换器为 ADC 的第一级提供所需的稳定电源。该器件无需外部直流 - 直流隔离模块。iCoupler 芯片级变压器技术还用于隔离 ADC 第一级与第二级之间的逻辑信号。因此可提供小尺寸、完全隔离的解决方案。该器件可连接 ADC 输出、配置和状态寄存器，可轻松与微控制器对接。它可由晶体振荡器或外部时钟信号提供时钟。
要满足 ADE9113 的引脚输入范围，需为分压器电阻和分流电阻选择适当的阻值。该范围指的是，当 IM 引脚和 VxM 引脚连接至 AGND 引脚（11 号引脚）时，为使 ADC 产生满量程响应而必须施加的峰峰值伪差模电压。IM 引脚和 VxM 引脚通过抗混叠滤波器连接至 AGND。
继电器焊点接触检测
ADE9113 的第二个电压输入通道用于检测继电器焊点接触情况。
图 3. 与 ADE9113 输入通道相连的电路的 LTspice 简化原理图。
图 3 展示了连接到 ADE9113 三个输入通道的电路的 LTspice ? 简化仿真，其中：
R_contact 为继电器接触电阻值（取决于仿真情况，可能为断开状态，如图 4 所示，或闭合状态，如图 5 所示）。
V1P、V2P、V1M、V2M、IP 和 IM 为 ADE9113 各通道的输入。
表 1 列出了在输入电压幅值为 230 V、负载为 23 Ω 的两种情况下的继电器状态值。
图 4. 对应图 3 中继电器触点断开时的电压和电流通道值。
图 5. 对应图 3 中继电器触点闭合时的电压和电流通道值。
表 1. 继电器断开和闭合情况下的 ADE 通道电压及电流通道值
继电器状态V1PV2PIP
断开305 mV0 mV0 mV
闭合305 mV305 mV10 mV
电网保护接地存在性测试
图 6.PE 电网存在性检测电路。
在器件断电期间，通过图 6 所示的电路，检测电网保护接地 (PE) 的存在性及相线 - 中性线是否接反。若未检测到接地，器件将进入错误状态，且状态 LED 指示灯会显示错误消息。若需检测相线 - 中性线是否接反，需将光耦合器的两个输出与 PE_ERR 信号配合使用。
软件框架
no - OS 是 ADI 公司推出的一款软件框架，专为无操作系统 (OS) 的系统（即裸机系统）设计。该框架定义了一套通用接口 (API)，用于访问典型的裸机外设，如通用输入输出 (GPIO)、SPI、I2C、RTC、定时器、中断控制器等。借助这套通用 API，开发者能够以统一的方式在多个微控制器平台上完成外设的初始化与控制操作。目前，该框架支持英特尔和赛灵思的微处理器及片内系统 (SoC)，同时兼容 ADI 自家的精密微控制器、多款 MAX32xx 微控制器、意法半导体的 STM32、树莓派的 PICO，以及基于 mbedOS 的器件。
通过采用符合自身编码风格的通用驱动 API，no - OS 能够为运行在不同底层硬件上的 ADI 评估板提供参考项目。得益于 no - OS 构建系统，用户可以在短时间内生成独立的参考项目，并以此为基础开展自主开发工作。
no - OS 属于开源软件，其官方代码托管在 GitHub 的 no - OS 存储库。用户只需遵守相关许可协议，即可自由使用和分发 no - OS。固件中使用的 no - OS 主要驱动器涉及 MAX32655 微控制器、ADE9113 隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC 及 ADT75 温度监测系统。
状态机
图 7. 状态机。
图 7 展示了 IC - CPD 的功能。所实现的状态机遵循 IEC 61851 - 1 标准规范。
固件通过三个枚举类型实现逻辑控制：第一个是 charger_state_e，包含所有可能的状态，其状态根据 CP 值的变化而切换。state_ machine_events_e 枚举类型涵盖所有可能触发的事件，这些事件用于状态逻辑的实现。interface_err_status_e 枚举类型则用于错误解析。
测试结果
测试是通过 Fluke FEV300 电动汽车充电站适配器与不同负载（见图 8）完成的，也可采用 2 型电缆连接器，配合相同负载或直接连接电动汽车进行测试。
正常工作状态（充电状态机）与 RCD 错误检测结果
图 9. 正常工作状态，标注有 EVSE - EV 状态。
图 10.C 状态（无通风条件下充电）的充电过程中检测到 RCD 交流错误。
图 9 和图 10 展示了使用图 8 中的测试台进行的两项测量所得到的波形。
图 9 呈现了从上电（电动汽车连接断开，本案例中为阻性负载）到进入充电状态的完整状态机运行过程，其中各状态在 CP 信号波形上已做标注。
图 9 与图 10 的区别在于：在 C 状态期间（电动汽车充电过程中），触发了交流 RCD 中断。这一点可在第三个波形中观察到。此时，IC - CPD 会断开继电器，且 LED 指示灯会显示错误消息。
图 11. 通过串行接口接收的完整充电序列调试消息
图 11 中的消息对应图 9 所示的场景，即从上电、充电到电动汽车断开连接的完整充电过程。
调试消息还包含输入电压值、设备内部电流与温度，以及特定时刻的活跃状态等内容。
当发生 CP 错误时，IC - CPD 会断开继电器，并通过 LED 指示灯显示 CP 错误。
保护接地 (PE) 错误
若在 C 状态下出现 PE 错误（即 EVSE 与 EV 之间的 PE 缺失），继电器将断开，同时 LED 指示灯会显示错误。若在 A 状态或 B 状态下出现 PE 错误，IC - CPD 会将其判定为电动汽车已断开连接，并保持当前状态或进入 A 状态（具体取决于错误发生时的活跃状态）。在此情况下，CP 信号电平无法达到 C 状态的数值，继电器将保持断开状态，直至 PE 连接恢复。
随着电动汽车数量的可预见增长，市场不仅要应对激增的需求，更需提供高效的充电解决方案，在经济性、安全性与环境影响之间找到平衡点。据 Solaronev 针对全球不同地区的报告显示，多数私家车用户日均行驶里程仅约 30 英里，因此较低功率的充电水平已足以满足日常需求。对于家用电动汽车充电站而言，新车配备的线缆内置控制与保护器件 (IC-CPD) 可谓理想之选，这类器件能省去高功率充电设施在安装与维护环节的巨额成本。鉴于当前充电解决方案的考量日趋复杂，未来不仅电动汽车市场会持续繁荣，充电设备市场亦将迎来蓬勃发展的黄金期。
什么是电动汽车供电设备 (EVSE)？有哪些应用场景？
电动汽车供电设备 (EVSE) 是一种能让用户安全地为插电混动汽车 (PHEV) 或纯电动汽车 (BEV) 充电的设备。这类设备依据充电功率等级进行分类。在电动汽车领域的术语中，“充电等级” 指的是 SAE J1772 标准中定义的充电系统电力分配类型、标准及最大功率，该标准已在国际上通过 IEC 62196-1 被广泛采用。
模式 2 的标准功能
模式 2 是将电动汽车接入交流供电网络标准插座的充电方式，其核心在于借助具备控制引导 (CP) 功能的交流 EVSE，并在标准插头与电动汽车之间设置人身触电保护系统 [IEC 62752:2017 6.2.2]。
线缆内置控制与保护器件 (IC-CPD) 的核心功能在于触电防护。这一功能通过剩余电流器件 (RCD) 实现：既可以采用至少为 A 型的剩余电流器件搭配直流检测辅助电路，也可直接使用 B 型 RCD。这一功能至关重要，因为充电器可能用于户外、公共区域等易接触水的环境，且存在人员无意或有意触碰的风险。在此类场景中，保护接地必须存在，一旦发生故障，供电必须立即切断。
图 1.2 型 EVSE 的的通用框图。图 1 展示了 2 型 IC-CPD 的通用框图。依据此框图衍生设计的电路，能够实现 IEC 61851-1 标准中规定的所有强制性功能。根据具体方案的不同，通用框图中的部分模块可能需要增设，也可能可以省略。例如，若通过电流互感器进行电流检测，那么在与微控制器单元 (MCU) 连接时，隔离集成电路便可省去；同理，若采用具备焊接检测功能的继电器，焊接检测电路也可不必设置。
ADI 公司的 2 型 EVSE
图 2.ADI 公司 2 型 EVSE 解决方案 AD-ACEVSECRDSET-SL 简化方框图。图 2 为 ADI 公司 2 型电动汽车供电设备 (EVSE) 的框图，其中包含 ADE9113 3 通道隔离式 Σ - Δ 模数转换器 (ADC)，该转换器用于单相电源输入的电压和电流测量，还用于继电器电压的测量，以实现焊点接触检测。
通过添加 6 mA DC/30 mA rms RCD 可确保器件安全运行。此外，该器件还具备过压、欠压、过流、过热检测功能，以及保护接地 (PE) 检测和电动汽车二极管存在性检测功能。集成的隔离设计使与微控制器 (MCU) 的连接更为简便。MAX32655 超低功耗 Arm Cortex - M4 处理器负责实现系统控制逻辑，并通过控制引导 (CP) 接口与电动汽车进行通信。该解决方案还包含编程和调试接口。器件的蓝牙 ? 5.2 接口支持与外部器件的连接。MCU 与 ADE9113 之间通过串行外设接口 (SPI) 实现通信。
EVSE 与 EV 之间实现通信所需的 CP 信号，是通过 MAX32655 处理器和 ADA4523 - 1 低噪声、零漂移运算放大器生成的。
该系统由单相 230 V 交流输入供电。系统采用一款隔离式交流 - 直流开关模式电源 (SMPS) 为电路板提供 12 V 电压，同时使用适用于汽车应用的 MAX20457 高效双通道同步降压转换器，将电压降至 5 V 和 3.3 V，为电路板的隔离侧供电。采用反相配置的 LT8330 可生成 CP 信号低侧所需的 - 12 V 电压。
ADT75 12 位数字温度传感器负责监测器件温度，并将温度数据发送至 MCU，以实现过热保护。
该设计配有开源软件栈和参考应用程序，以便基于经过验证的成熟实施方案进行定制软件的开发，且该方案已通过验证，符合相关标准要求。该系统设计遵循 IEC 61851 和 IEC 62752 标准。
隔离式 ADC
ADE9113 是一款隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC，适用于采用分流电流传感器的多相电能计量应用。数据和电源隔离基于 ADI 公司的 iCoupler? 技术。该集成电路 (IC) 具有 3 个 ADC。其中一个通道在分流器用于电流感应时专门用来测量该分流器的电压。最多两个额外的通道专用于测量电压，通常采用电阻分压器来检测电压。在本应用中，其中一个电压通道用于检测继电器触点是否焊接。
这款 ADC 内置了 isoPower? 器件，即一款集成式隔离型直流 - 直流转换器。该直流 - 直流转换器为 ADC 的第一级提供所需的稳定电源。该器件无需外部直流 - 直流隔离模块。iCoupler 芯片级变压器技术还用于隔离 ADC 第一级与第二级之间的逻辑信号。因此可提供小尺寸、完全隔离的解决方案。该器件可连接 ADC 输出、配置和状态寄存器，可轻松与微控制器对接。它可由晶体振荡器或外部时钟信号提供时钟。
要满足 ADE9113 的引脚输入范围，需为分压器电阻和分流电阻选择适当的阻值。该范围指的是，当 IM 引脚和 VxM 引脚连接至 AGND 引脚（11 号引脚）时，为使 ADC 产生满量程响应而必须施加的峰峰值伪差模电压。IM 引脚和 VxM 引脚通过抗混叠滤波器连接至 AGND。
继电器焊点接触检测
ADE9113 的第二个电压输入通道用于检测继电器焊点接触情况。
图 3. 与 ADE9113 输入通道相连的电路的 LTspice 简化原理图。图 3 展示了连接到 ADE9113 三个输入通道的电路的 LTspice ? 简化仿真，其中：
R_contact 为继电器接触电阻值（取决于仿真情况，可能为断开状态，如图 4 所示，或闭合状态，如图 5 所示）。
V1P、V2P、V1M、V2M、IP 和 IM 为 ADE9113 各通道的输入。
表 1 列出了在输入电压幅值为 230 V、负载为 23 Ω 的两种情况下的继电器状态值。
图 4. 对应图 3 中继电器触点断开时的电压和电流通道值。 图 5. 对应图 3 中继电器触点闭合时的电压和电流通道值。表 1. 继电器断开和闭合情况下的 ADE 通道电压及电流通道值
继电器状态V1PV2PIP
断开305 mV0 mV0 mV
闭合305 mV305 mV10 mV
电网保护接地存在性测试
图 6.PE 电网存在性检测电路。在器件断电期间，通过图 6 所示的电路，检测电网保护接地 (PE) 的存在性及相线 - 中性线是否接反。若未检测到接地，器件将进入错误状态，且状态 LED 指示灯会显示错误消息。若需检测相线 - 中性线是否接反，需将光耦合器的两个输出与 PE_ERR 信号配合使用。
软件框架
no - OS 是 ADI 公司推出的一款软件框架，专为无操作系统 (OS) 的系统（即裸机系统）设计。该框架定义了一套通用接口 (API)，用于访问典型的裸机外设，如通用输入输出 (GPIO)、SPI、I2C、RTC、定时器、中断控制器等。借助这套通用 API，开发者能够以统一的方式在多个微控制器平台上完成外设的初始化与控制操作。目前，该框架支持英特尔和赛灵思的微处理器及片内系统 (SoC)，同时兼容 ADI 自家的精密微控制器、多款 MAX32xx 微控制器、意法半导体的 STM32、树莓派的 PICO，以及基于 mbedOS 的器件。
通过采用符合自身编码风格的通用驱动 API，no - OS 能够为运行在不同底层硬件上的 ADI 评估板提供参考项目。得益于 no - OS 构建系统，用户可以在短时间内生成独立的参考项目，并以此为基础开展自主开发工作。
no - OS 属于开源软件，其官方代码托管在 GitHub 的 no - OS 存储库。用户只需遵守相关许可协议，即可自由使用和分发 no - OS。固件中使用的 no - OS 主要驱动器涉及 MAX32655 微控制器、ADE9113 隔离式 3 通道 Σ - Δ ADC 及 ADT75 温度监测系统。
状态机
图 7. 状态机。图 7 展示了 IC - CPD 的功能。所实现的状态机遵循 IEC 61851 - 1 标准规范。
固件通过三个枚举类型实现逻辑控制：第一个是 charger_state_e，包含所有可能的状态，其状态根据 CP 值的变化而切换。state_ machine_events_e 枚举类型涵盖所有可能触发的事件，这些事件用于状态逻辑的实现。interface_err_status_e 枚举类型则用于错误解析。
测试结果
测试是通过 Fluke FEV300 电动汽车充电站适配器与不同负载（见图 8）完成的，也可采用 2 型电缆连接器，配合相同负载或直接连接电动汽车进行测试。
正常工作状态（充电状态机）与 RCD 错误检测结果
图 9. 正常工作状态，标注有 EVSE - EV 状态。 图 10.C 状态（无通风条件下充电）的充电过程中检测到 RCD 交流错误。图 9 和图 10 展示了使用图 8 中的测试台进行的两项测量所得到的波形。
图 9 呈现了从上电（电动汽车连接断开，本案例中为阻性负载）到进入充电状态的完整状态机运行过程，其中各状态在 CP 信号波形上已做标注。
图 9 与图 10 的区别在于：在 C 状态期间（电动汽车充电过程中），触发了交流 RCD 中断。这一点可在第三个波形中观察到。此时，IC - CPD 会断开继电器，且 LED 指示灯会显示错误消息。
图 11. 通过串行接口接收的完整充电序列调试消息图 11 中的消息对应图 9 所示的场景，即从上电、充电到电动汽车断开连接的完整充电过程。
调试消息还包含输入电压值、设备内部电流与温度，以及特定时刻的活跃状态等内容。
当发生 CP 错误时，IC - CPD 会断开继电器，并通过 LED 指示灯显示 CP 错误。
保护接地 (PE) 错误
若在 C 状态下出现 PE 错误（即 EVSE 与 EV 之间的 PE 缺失），继电器将断开，同时 LED 指示灯会显示错误。若在 A 状态或 B 状态下出现 PE 错误，IC - CPD 会将其判定为电动汽车已断开连接，并保持当前状态或进入 A 状态（具体取决于错误发生时的活跃状态）。在此情况下，CP 信号电平无法达到 C 状态的数值，继电器将保持断开状态，直至 PE 连接恢复。
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