帶有隔離CAN或RS-485通信接口模塊設計

本文導讀

帶隔離通信接口的設備，在不同的使用、安裝狀態(tài)下，接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性，了解設備在不同的使用狀態(tài)下，ESD對接口的影響的機理，才能有針對性地增加保護器件，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，對常見的設備狀態(tài)下，ESD的作用機理進行分析，并提出相應的改善措施。

一、設備控制側(cè)有接保護地，總線側(cè)懸空

如圖1，此狀態(tài)下，設備控制側(cè)有接入保護地（PE），總線側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接。

圖 1

此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：

• 產(chǎn)品開發(fā)測試過程中；

• 單個產(chǎn)品進行ESD測試時；

• 設備組網(wǎng)時，控制側(cè)已接入保護地，正在進行總線接入或斷開操作時；

• 設備組網(wǎng)后，總線側(cè)未進行接地處理的。

靜電分析：

假設控制側(cè)均做了足夠的保護措施，當控制側(cè)接口受到靜電放電時，能量通過控制側(cè)保護器泄放至PE，對隔離通信接口基本無影響，如圖 2。

圖 2

當總線接口受到靜電放電時，由于總線側(cè)懸空，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放，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，則會導致內(nèi)部隔離柵損壞。

圖 3

對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，對于更高等級的6kV或8kV的靜電來說是非常脆弱的，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電容Cp， 為靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 4，總線側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE，并可以有效降低隔離柵兩側(cè)電壓，從而起到保護隔離接口模塊的作用。

圖 4

為了達到良好效果，Cp容值應遠大于Ciso，建議取100pF~1000pF之間。若無安規(guī)要求，可與Cp并聯(lián)一個大阻值泄放電阻，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，同時選擇安規(guī)電容。器件選擇時，注意阻容耐壓需要滿足設備指標要求。

二、設備控制側(cè)懸空，總線側(cè)有接保護地

如圖 5，此狀態(tài)下，設備控制側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接，總線側(cè)有接入保護地（PE）。

圖 5

此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：

• 產(chǎn)品開發(fā)測試過程中；

• 單個產(chǎn)品進行ESD測試時；

• 設備組網(wǎng)時，總線側(cè)先接地，控制側(cè)未接地時；

• 設備組網(wǎng)后，控制側(cè)未進行接地處理的。

靜電分析：

類似的，當控制側(cè)接口受到靜電放電時，由于控制側(cè)懸空，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放，由于Ciso非常小，兩端電壓Viso會非常高，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，則會導致內(nèi)部隔離柵損壞。

圖 6

當總線側(cè)接口受到靜電放電時，靜電能量通過隔離接口模塊內(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)增加一個電容Cp，可以為來自控制側(cè)的靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 8，控制側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE，從而起到保護隔離接口模塊的作用。若無安規(guī)要求，可與Cp并聯(lián)一個大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累。

圖 8

對于總線側(cè)的靜電，可以在總線側(cè)增加高等級ESD防護器件（如TVS管），靜電能量會通過防護器件泄放至PE，由此來提高總線側(cè)的靜電能力，如圖 9。TVS選型時需注意，其導通電壓必須小于隔離接口可承受的最大電壓，同時大于信號電壓；在通信速率高、或節(jié)點數(shù)較多時，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、設備控制側(cè)、總線側(cè)均有接保護地

如圖 10，此狀態(tài)下，設備控制側(cè)、總線側(cè)都通過一定方式接入保護地（PE）。

圖 10

狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：

設備自身接PE，總線組網(wǎng)后單點接PE。

靜電分析：

當控制側(cè)接口受到靜電放電時，能量通過控制側(cè)保護器泄放至PE1，對隔離通信接口基本無影響，如圖 11。

圖 11

當總線側(cè)接口受到靜電放電時，靜電能量通過隔離接口模塊內(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ESD防護器件（如TVS管），靜電能量會通過防護器件泄放至PE2，由此來提高總線側(cè)的靜電能力，如圖 13。

圖 13

推薦的實際應用電路

為了滿足上述提到的三種設備狀態(tài)下，隔離接口模塊均得到有效的靜電保護，建議進行隔離接口設計時，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，如需要進行耐壓測試、絕緣電阻測試，則不能增加Rp電阻。

由于設備實際應用中會存在各種不同的狀態(tài)，對于與上述描述不同的情況，也可按以上的方法進行分析，并有針對性的增加保護器件，從而達到提升ESD抗擾能力的作用。

圖 14

四、總結

由于設備實際應用中會存在各種不同的狀態(tài)，對于與上述描述不同的情況，也可按以上的方法進行分析，并有針對性的增加保護器件，從而達到提升ESD抗擾能力的作用。廣州致遠電子有限公司基于多年的總線防護設計積累推出了高防護等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標準，靜電防護等級可達接觸±8kV，空氣放電±15kV，浪涌防護可達±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)場環(huán)境。應用簡便，即插即用，應用原理圖如下圖16所示。

圖 15 CTM1051(A)HP的EMC性能

圖 16 應用原理圖