前言

 

為保證總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊穩定性，通訊接口通常會(huì )做隔離，隔離的主要目的：

 

安規考慮：保護設備及人身安全，隔開(kāi)潛在的高壓危險；

 

提高通信的穩定性：消除地電勢差的影響；

 

提高器件的可靠性：消除地環(huán)路影響；

 

低耦合：提高系統間的兼容性。

 

目前實(shí)現總線(xiàn)隔離有兩種方案：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。

 

隔離接地的原理

 

總線(xiàn)增加隔離固然可以保證總線(xiàn)穩定可靠地通信，但是帶隔離通信接口的設備，在復雜的環(huán)境或安裝狀態(tài)下，接口會(huì )表現出完全不同的ESD特性，了解ESD對接口的影響機理，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(jiàn)的設備狀態(tài)下，ESD的作用機理進(jìn)行分析，并提出相應的改善措施。

 

1、總線(xiàn)側懸空

 

此狀態(tài)下，設備控制側有接入保護地（PE），總線(xiàn)側參考地懸空，與PE無(wú)任何連接，如下圖1。

 

 

 

 

接下來(lái)進(jìn)行分析：

 

假設控制側均做了足夠的保護措施，當控制側接口受到靜電放電時(shí)，能量通過(guò)控制側保護器泄放至PE，對隔離通信接口基本無(wú)影響，如下面圖2。

 

當總線(xiàn)接口受到靜電放電時(shí)，由于總線(xiàn)側懸空，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，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 )導致內部隔離柵損壞，如下面圖3。

 

注意：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(lái)說(shuō)是非常脆弱的，極易出現損壞情況。

 

 

 

 

 

 

 

2、設備控制測懸空

 

此狀態(tài)下，設備控制側參考地懸空，與PE無(wú)任何連接，總線(xiàn)側有接入保護地（PE），如下圖4。

 

 

 

 

接下來(lái)進(jìn)行分析：

 

當總線(xiàn)側接口受到靜電放電時(shí)，靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內部總線(xiàn)側器件泄放至PE，但若ESD能量超出了接口模塊內部總線(xiàn)側器件的ESD抗擾能力，總線(xiàn)接口則可能損壞，如下面圖5。

 

當控制側接口受到靜電放電時(shí)，由于控制側懸空，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，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 )導致內部隔離柵損壞，如下面圖6。

 

 

 

 

 

 

 

3、改善措施

 

針對上述兩種情況，隔離接口模塊需要得到有效的靜電保護，建議進(jìn)行隔離接口設計時(shí)，增加Cp、Rp以及TVS，提高隔離接口的ESD抗擾能力。

 

電容Cp的作用：減輕隔離柵的壓力，為靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑，靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放，為達到良好效果，Cp容值應遠大于Ciso，建議取100pF~1000pF之間。

 

TVS管的作用：對于總線(xiàn)側的靜電，靜電能量會(huì )通過(guò)防護器件泄放，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(shí)大于信號電壓；在通信速率高、或節點(diǎn)數較多時(shí)，也需要注意盡量選取等效電容小的器件，以免影響總線(xiàn)正常通信。

 

 

 

 

注意：若產(chǎn)品無(wú)安規要求，可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累；若有安規要求，一般需要去除泄放電阻，同時(shí)選擇安規電容。

 

完善的總線(xiàn)接口保護電路

 

前面只是對ESD的作用機理進(jìn)行了分析，但隨著(zhù)工業(yè)產(chǎn)品對通信接口的EMC等級要求越來(lái)越高。許多應用要求滿(mǎn)足IEC61000-4-2靜電放電4級，IEC61000-4-5浪涌抗擾4級要求。一般的收發(fā)器ESD、浪涌的防護等級均比較低，如CTM1051M隔離CAN收發(fā)器的隔離耐壓為2500VDC，裸機情況下，ESD、浪涌等級均較低。所以有必要增加外圍電路，提高通信端口的EMC等級。

 

 

 

 

以CAN總線(xiàn)為例，上圖為完善的外圍推薦電路。其中GDT置于最前端，提供一級防護，當雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí)，GDT瞬間達到低阻狀態(tài)，為瞬時(shí)大電流提供泄放通道，將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏范圍內。實(shí)際取值可根據防護等級及器件成本綜合考慮進(jìn)行調整，R3 與 R4 建議選用 PTC，D1~D6 建議選用快恢復二極管，參數表如下。

 

表1  推薦參數表

 

另一種方案則是采用ZLG的SP00S12浪涌保護模塊，可用于各種信號傳輸系統，抑制雷擊、浪涌、過(guò)壓等有害信號，對設備信號端口進(jìn)行保護。搭配ZLG的全隔離CTM或SC系列的隔離CAN收發(fā)器，如下圖?？蓸O大程度的提升產(chǎn)品的集成度，于此同時(shí)極大程度的縮小開(kāi)發(fā)周期。

 

 

 

 

阻容回路接地的必要性

 

前面講述了總線(xiàn)隔離之后接地的原理以及推薦電路，想必大家已經(jīng)很清楚了，在現場(chǎng)，很多客戶(hù)會(huì )提到總線(xiàn)隔離之后為什么需要阻容接地呢？這里給大家簡(jiǎn)單描述一下：

 

1、電容：從EMS（電磁抗擾度）角度說(shuō)，這個(gè)電容是在假設PE良好連接大地的前提下，降低可能存在的影響（以大地電平為參考的高頻干擾信號對電路的影響），是為了抑制電路和干擾源之間瞬態(tài)共模壓差的。其實(shí)GND直連PE是最好的，但是，直連可能不可操作或者不安全。從EMI（電磁干擾）角度說(shuō)，如果有與PE相連的金屬外殼，有這個(gè)高頻路徑，也能夠避免高頻信號輻射出來(lái)。

 

2、1M電阻：這是對付ESD（靜電放電）測試用的。因為這種用電容連接PE和GND的系統（浮地系統），在做ESD測試的時(shí)候，打入被測電路的電荷無(wú)處釋放，會(huì )逐漸累積，抬升或降低GND相對PE的電平，累積到一定程度，超過(guò)了PE和電路之間的絕緣最薄弱處所能耐受的電壓范圍，GND和PE之間就會(huì )放電，幾個(gè)納秒間，在PCB上的產(chǎn)生數十到數百安培的電流，這足以讓任何電路因EMP（電磁脈沖）宕機，或者是讓PE與電路之間絕緣最薄弱處所在信號連接的器件損壞。但是有時(shí)候又不能直接連接PE和GND，那么就用一個(gè)1~2M的電阻去慢慢釋放這個(gè)電荷，以消除二者間的壓差。當然1~2M這個(gè)數值是根據ESD測試標準選擇的，因為IEC61000里面規定最高的重復次數只有10次/秒，如果你搞個(gè)1000次/秒的非標ESD放電，那么1~2M的電阻我覺(jué)得是不能釋放掉累積的電荷的。

 

文章轉載自公眾號：ZLG立功科技一致遠電子， 作者：AE