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帶有隔離CAN或RS-485通信接口模塊設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2018-07-03 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,以提升總線的抗干擾能力,但設(shè)備接口可能會(huì)采用端子與外部連接,可能會(huì)在安裝、維修過(guò)程中有靜電等能量輸入,從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問(wèn)題呢?本文為你揭秘。
 
隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,以提升總線的抗干擾能力,但設(shè)備接口可能會(huì)采用端子與外部連接,可能會(huì)在安裝、維修過(guò)程中有靜電等能量輸入,從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問(wèn)題呢?本文為你揭秘。

帶隔離通信接口的設(shè)備,在不同的使用、安裝狀態(tài)下,接口會(huì)表現(xiàn)出完全不同的ESD特性,了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下,ESD對(duì)接口的影響的機(jī)理,才能有針對(duì)性地增加保護(hù)器件,提升隔離接口的ESD能力。下面以帶有隔離CAN或RS-485通信接口為例,對(duì)常見的設(shè)備狀態(tài)下,ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改善措施。
 
一、設(shè)備控制側(cè)有接保護(hù)地,總線側(cè)懸空
 
如圖1,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)有接入保護(hù)地(PE),總線側(cè)參考地懸空,與PE無(wú)任何連接。
 
 
 
圖 1
 
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場(chǎng)景:
 
產(chǎn)品開發(fā)測(cè)試過(guò)程中;
 
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí);
 
設(shè)備組網(wǎng)時(shí),控制側(cè)已接入保護(hù)地,正在進(jìn)行總線接入或斷開操作時(shí);
 
設(shè)備組網(wǎng)后,總線側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
 
靜電分析:
 
假設(shè)控制側(cè)均做了足夠的保護(hù)措施,當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí),能量通過(guò)控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE,對(duì)隔離通信接口基本無(wú)影響,如圖 2。
 
 
圖 2
 
當(dāng)總線接口受到靜電放電時(shí),由于總線側(cè)懸空,能量只能通過(guò)隔離柵的等效電容Ciso進(jìn)行泄放,由于Ciso非常小,僅有幾皮法至十幾皮法,Ciso被迅速充電,兩端電壓Viso會(huì)非常高,幾乎等同于放電電壓,如圖 3。電壓全部施加在隔離接口模塊的隔離柵,若電壓超出了隔離柵的電壓承受范圍,則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
 
圖 3
 
對(duì)于一般的隔離接口模塊,隔離柵可承受的靜電放電電壓只有4kV,對(duì)于更高等級(jí)的6kV或8kV的靜電來(lái)說(shuō)是非常脆弱的,極易出現(xiàn)損壞情況。

改善方法:
 
為了減輕隔離柵的壓力,可以在隔離柵兩邊增加一個(gè)電容Cp, 為靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑。如圖 4,總線側(cè)的靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放至PE,并可以有效降低隔離柵兩側(cè)電壓,從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。 
 
圖 4
 
為了達(dá)到良好效果,Cp容值應(yīng)遠(yuǎn)大于Ciso,建議取100pF~1000pF之間。若無(wú)安規(guī)要求,可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻,如1M,以防靜電積累;若有安規(guī)要求,一般需要去除泄放電阻,同時(shí)選擇安規(guī)電容。器件選擇時(shí),注意阻容耐壓需要滿足設(shè)備指標(biāo)要求。
 
二、設(shè)備控制側(cè)懸空,總線側(cè)有接保護(hù)地
 
如圖 5,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)參考地懸空,與PE無(wú)任何連接,總線側(cè)有接入保護(hù)地(PE)。
 
圖 5
 
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場(chǎng)景:
 
產(chǎn)品開發(fā)測(cè)試過(guò)程中;
 
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí);
 
設(shè)備組網(wǎng)時(shí),總線側(cè)先接地,控制側(cè)未接地時(shí);
 
設(shè)備組網(wǎng)后,控制側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
 
靜電分析:
 
類似的,當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí),由于控制側(cè)懸空,能量只能通過(guò)隔離柵的等效電容Ciso進(jìn)行泄放,由于Ciso非常小,兩端電壓Viso會(huì)非常高,如圖 6。電壓全部施加在隔離接口模塊的隔離柵,若電壓超出了隔離柵的電壓承受范圍,則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
 
圖 6
 
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時(shí),靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE,如圖 7。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力,總線接口則可能損壞。
 
圖 7
 
改善方法:
 
類似的,在隔離柵并聯(lián)增加一個(gè)電容Cp,可以為來(lái)自控制側(cè)的靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑。如圖 8,控制側(cè)的靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放至PE,從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。若無(wú)安規(guī)要求,可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻,如1M,以防靜電積累。
 
圖 8
 
對(duì)于總線側(cè)的靜電,可以在總線側(cè)增加高等級(jí)ESD防護(hù)器件(如TVS管),靜電能量會(huì)通過(guò)防護(hù)器件泄放至PE,由此來(lái)提高總線側(cè)的靜電能力,如圖 9。TVS選型時(shí)需注意,其導(dǎo)通電壓必須小于隔離接口可承受的最大電壓,同時(shí)大于信號(hào)電壓;在通信速率高、或節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí),也需要注意盡量選取等效電容小的器件,以免影響總線正常通信。
 
圖 9
 
三、設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)均有接保護(hù)地
 
如圖 10,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)都通過(guò)一定方式接入保護(hù)地(PE)。
 
圖 10
 
狀態(tài)出現(xiàn)的可能場(chǎng)景:
 
設(shè)備自身接PE,總線組網(wǎng)后單點(diǎn)接PE。

靜電分析:
 
當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí),能量通過(guò)控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE1,對(duì)隔離通信接口基本無(wú)影響,如圖 11。
 
圖 11
 
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時(shí),靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE2,如圖 12。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力,總線接口則可能損壞。
 
圖 12
 
改善方法:
 
在總線側(cè)增加高等級(jí)ESD防護(hù)器件(如TVS管),靜電能量會(huì)通過(guò)防護(hù)器件泄放至PE2,由此來(lái)提高總線側(cè)的靜電能力,如圖 13。
 
圖 13
 
推薦的實(shí)際應(yīng)用電路
 
為了滿足上述提到的三種設(shè)備狀態(tài)下,隔離接口模塊均得到有效的靜電保護(hù),建議進(jìn)行隔離接口設(shè)計(jì)時(shí),參考圖 14所示電路,增加Cp、Rp以及TVS,提高隔離接口的ESD抗擾能力。注意,若產(chǎn)品有安規(guī)要求,如需要進(jìn)行耐壓測(cè)試、絕緣電阻測(cè)試,則不能增加Rp電阻。
 
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在各種不同的狀態(tài),對(duì)于與上述描述不同的情況,也可按以上的方法進(jìn)行分析,并有針對(duì)性的增加保護(hù)器件,從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。
 
圖 14
 
四、總結(jié)
 
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在各種不同的狀態(tài),對(duì)于與上述描述不同的情況,也可按以上的方法進(jìn)行分析,并有針對(duì)性的增加保護(hù)器件,從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司基于多年的總線防護(hù)設(shè)計(jì)積累推出了高防護(hù)等級(jí)隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國(guó)際ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn),靜電防護(hù)等級(jí)可達(dá)接觸±8kV,空氣放電±15kV,浪涌防護(hù)可達(dá)±4kV隔離CAN解決方案,具體如下圖15所示,能夠適用于各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。應(yīng)用簡(jiǎn)便,即插即用,應(yīng)用原理圖如下圖16所示。
 
 
 
圖 15  CTM1051(A)HP的EMC性能
 
圖 16  應(yīng)用原理圖
 
 
 
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