CAN总线隔离接地的原理解析

发布者:admin 发布时间:2019-10-26 20:26 浏览次数:

  与485都是工业通信中常用的现场总线,各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉,但可能会遇到总线采用了隔离方案依旧通讯异常的情况。

  总线增加隔离固然可以保证总线稳定可靠地通信,但是带隔离通信接口的设备,在复杂的环境或安装状态下,接口会表现出完全不同的ESD特性,了解ESD对接口的影响机理,才能有针对性地增加保护器件,提升隔离接口的ESD能力。下面以带有隔离CAN或RS-485通信接口为例,对常见的设备状态下,ESD的作用机理进行分析,并提出相应的改善措施。

  此状态下,设备控制侧有接入保护地(PE),总线侧参考地悬空,与PE无任何连接,如下图1。

  假设控制侧均做了足够的保护措施,当控制侧接口受到静电放电时,能量通过控制侧保护器泄放至PE,对隔离通信接口基本无影响,如下面图2。

  当总线接口受到静电放电时,由于总线侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放,由于Ciso非常小,仅有几皮法至十几皮法,Ciso被迅速充电,两端电压Viso会非常高,几乎等同于放电电压,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面图3。

  注意:对于一般的隔离接口模块,隔离栅可承受的静电放电电压只有4kV,对于更高等级的6kV或8kV的静电来说是非常脆弱的,极易出现损坏情况。

  此状态下,设备控制侧参考地悬空,与PE无任何连接,总线侧有接入保护地(PE),如下图4。

  当总线侧接口受到静电放电时,静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至PE,但若ESD能量超出了接口模块内部总线侧器件的ESD抗扰能力,总线接口则可能损坏,如下面图5。

  当控制侧接口受到静电放电时,由于控制侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放,由于Ciso非常小,两端电压Viso会非常高,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面图6。

  针对上述两种情况,隔离接口模块需要得到有效的静电保护,建议进行隔离接口设计时,增加Cp、Rp以及TVS,提高隔离接口的ESD抗扰能力。

  电容Cp的作用:减轻隔离栅的压力,为静电能量提供一个低阻抗的路径,静电能量大部分通过此电容泄放,为达到良好效果,Cp容值应远大于Ciso,建议取100pF~1000pF之间。

  TVS管的作用:对于总线侧的静电,静电能量会通过防护器件泄放,注意:其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压,同时大于信号电压;在通信速率高、或节点数较多时,也需要注意尽量选取等效电容小的器件,以免影响总线正常通信。

  注意:若产品无安规要求,可与Cp并联一个大阻值泄放电阻,如1M,以防静电积累;若有安规要求,一般需要去除泄放电阻,同时选择安规电容。

  前面只是对ESD的作用机理进行了分析,但随着工业产品对通信接口的EMC等级要求越来越高。许多应用要求满足IEC61000-4-2静电放电4级,IEC61000-4-5浪涌抗扰4级要求。一般的收发器ESD、浪涌的防护等级均比较低,如CTM1051M隔离CAN收发器的隔离耐压为2500VDC,裸机情况下,ESD、浪涌等级均较低。所以有必要增加外围电路,提高通信端口的EMC等级。

  以CAN总线为例,上图为完善的外围推荐电路。其中GDT置于最前端,提供一级防护,当雷击、浪涌产生时,GDT瞬间达到低阻状态,为瞬时大电流提供泄放通道,将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整,R3 与 R4 建议选用PTC,D1~D6 建议选用快恢复二极管,参数表如下。

  一种方案则是采用ZLG的SP00S12浪涌保护模块,可用于各种信号传输系统,抑制雷击、浪涌、过压等有害信号,对设备信号端口进行保护。搭配ZLG的全隔离CTM或SC系列的隔离CAN收发器,如下图。可极大程度的提升产品的集成度,于此同时极大程度的缩小开发周期。

  前面讲述了总线隔离之后接地的原理以及推荐电路,想必大家已经很清楚了,在现场,很多客户会提到总线隔离之后为什么需要阻容接地呢?这里给大家简单描述一下:

  1、电容:从EMS(电磁抗扰度)角度说,这个电容是在假设PE良好连接大地的前提下,降低可能存在的影响(以大地电平为参考的高频干扰信号对电路的影响),是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实GND直连PE是最好的,但是,直连可能不可操作或者不安全。从EMI(电磁干扰)角度说,如果有与PE相连的金属外壳,有这个高频路径,也能够避免高频信号辐射出来。

  2、1M电阻:这是对付ESD(静电放电)测试用的。因为这种用电容连接PE和GND的系统(浮地系统),在做ESD测试的时候,打入被测电路的电荷无处释放,会逐渐累积,抬升或降低GND相对PE的电平,累积到一定程度,超过了PE和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围,GND和PE之间就会放电,几个纳秒间,在PCB上的产生数十到数百安培的电流,这足以让任何电路因EMP(电磁脉冲)宕机,或者是让PE与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。但是有时候又不能直接连接PE和GND,那么就用一个1~2M的电阻去慢慢释放这个电荷,以消除二者间的压差。当然1~2M这个数值是根据ESD测试标准选择的,因为IEC61000里面规定最高的重复次数只有10次/秒,如果你搞个1000次/秒的非标ESD放电,那么1~2M的电阻我觉得是不能释放掉累积的电荷的。

  隔离开关的三相联动的合闸同期性的安装调整,在两接线端承受正常母线拉力的条件下,调整相间正反牙连杆长度...

  配变三相负荷不平衡从调查结果来看大量的存在, 特别是在农村, 电力负荷的大部 分为单相负荷,且负荷变...

  接地设计尽管是EMC设计中最重要的方面通常处理的问题并不容易直观理解;其实每一个电路最终都要有一个参...

  近年来人们对车身舒适性,安全性及信息娱乐性的智能化高度要求,汽车电子也持续的高速发展着,目前车用电子...

  高压绕组对地绝缘测量:断开电源,断开外接电缆,对变压器放电;将兆欧表“线路L”测量端子接三相变压器...

  CAN与485都是工业通信中常用的现场总线,各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉,但可能会遇到总...

  前段时间有个做模台流水线的用户,一条流水线有两路CAN总线个控制节点,每当启动模台就...

  NUP3125 SC-70的32V双线CAN总线旨在保护商用车辆中常见的24 V设计中的CAN收发器免受ESD和其他有害浪涌保护事件的影响。该器件采用单个紧凑型SC-70(SOT-323)封装,为每条数据线提供双向保护,为系统设计人员提供了低成本选择,可提高系统可靠性并满足严格的EMI要求。 特性 优势 每线μs波形) 确保高器件级浪涌可生存性 10 pF二极管电容匹配的总体电容 帮助维持CAN-FD的数据线信号完整性 低反向漏电流(...

  UP3105旨在保护商用车辆中常见的24 V设计中的CAN收发器免受ESD和其他有害浪涌保护事件的影响。该器件采用单个SOT-23封装,为每条数据线提供双向保护,为系统设计人员提供了低成本选择,可提高系统可靠性并满足严格的EMI要求。 特性 优势 350 W峰值功率每行耗散(8 /20μs波形) 确保高器件级浪涌可生存性 低反向漏电流(


上一篇:I2C总线技术在HDTV数字地面接收机中的应用解析    下一篇:干货:CAN总线(经典必看)