浪涌保護(hù)不再難 適于ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器的5種方案請(qǐng)查收

引言

在工業(yè)、汽車和儀器儀表應(yīng)用中，因操作不當(dāng)、存在電氣噪聲的操作環(huán)境，甚至雷擊造成的大瞬態(tài)電壓可能會(huì)形成巨大壓力，導(dǎo)致通信端口和基礎(chǔ)電子設(shè)備受損。對(duì)此，ADI推出了信號(hào)和電源隔離式ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器，能夠承受其中許多瞬態(tài)電壓，并保護(hù)敏感的電子設(shè)備。

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和瞬態(tài)電壓大小，瞬態(tài)電壓可分為靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈沖群(EFT)和浪涌。通過ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器的片內(nèi)集成保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)4級(jí)IEC 61000-4-2 ESD保護(hù)、IEC 61000-4-4 EFT抗擾度和4級(jí)+跨柵IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)。

當(dāng)跨柵浪涌通過iCoupler^?隔離柵吸收時(shí)，通過總線側(cè)接地返回的浪涌會(huì)在收發(fā)器上耗散大量功率，除非將這些浪涌轉(zhuǎn)移。本文將介紹ADM3055E/ADM3057E收發(fā)器CAN FD端口上IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)的解決方案。根據(jù)所需浪涌保護(hù)級(jí)別、共模范圍要求和可用PCB面積，確定了設(shè)計(jì)選項(xiàng)的特性。

本文提及的組件測(cè)試使用ADM3055E/ADM3057E進(jìn)行，其他器件（ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E）將共用一個(gè)收發(fā)器芯片。

概述

CAN FD標(biāo)準(zhǔn)

CAN FD(具有靈活數(shù)據(jù)速率的控制器局域網(wǎng))是內(nèi)置故障處理功能的分布式通信的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)描述了基于ISO-118981-2:2016開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的物理和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定相關(guān)要求。CAN FD最初專為汽車應(yīng)用開發(fā)，由于其所用通信機(jī)制具有一些固有優(yōu)勢(shì)，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)和儀器儀表領(lǐng)域。

ADM3055E/ADM3057E隔離信號(hào)和電源收發(fā)器的擴(kuò)展共模范圍為±25V。共模范圍超過ISO 11898-2:2016的要求，即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間存在較大的接地失調(diào)，也能提供可靠的通信。在全速模式下，該隔離型收發(fā)器也大大超過ISO 11898-2:2016的時(shí)序要求。低環(huán)路延遲使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒚课坏拇蟛糠钟糜诮r(shí)間。擴(kuò)展的共模范圍和時(shí)序規(guī)范支持工業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更可靠的遠(yuǎn)程通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器

在現(xiàn)場(chǎng)安裝中，直接接觸、電線損壞、感應(yīng)開關(guān)、電源波動(dòng)、電弧甚至附近的雷擊都有可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成損壞。設(shè)計(jì)人員必須確保設(shè)備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在惡劣的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可靠運(yùn)行。為了確保這些設(shè)計(jì)能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)推行了EMC法規(guī)。如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合這些法規(guī)，終端用戶就會(huì)確信它們?cè)趷毫拥碾姶怒h(huán)境下也能正常工作。

隔離信號(hào)和電源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器是一款CAN FD物理層收發(fā)器。該器件采用ADI公司的iCoupler技術(shù)，將3通道隔離器、CAN FD收發(fā)器和ADI公司的isoPower?隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器集成于單個(gè)表貼式小尺寸集成電路(SOIC_IC)封裝中。

EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT防護(hù)通過片內(nèi)保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。浪涌波形的能量水平要高很多，浪涌瞬態(tài)電壓可以施加于隔離柵或收發(fā)器裸片。集成的iCoupler隔離柵技術(shù)為跨柵發(fā)生的浪涌瞬變提供了更強(qiáng)的保護(hù)。集成保護(hù)級(jí)別見表1。保護(hù)收發(fā)器免受高水平浪涌的影響需要外部保護(hù)器件，本文中將對(duì)此進(jìn)行討論。

表1 ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保護(hù)級(jí)別

浪涌抗擾度測(cè)試

浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障（例如安裝時(shí)與接地系統(tǒng)形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的起因可能是附近的雷擊將較高的電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪涌現(xiàn)象影響的情況下用于評(píng)估電子電氣設(shè)備抗擾度的波形、測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。

圖1顯示了1.2μs/50μs浪涌瞬變波形。標(biāo)準(zhǔn)的波形由波形發(fā)生器產(chǎn)生，用于表征開路電壓和短路電流事件。浪涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)重的EMC瞬變，其能量水平比ESD或EFT脈沖中的能量大三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，由于其高能量，通常需要外部保護(hù)器件來提高浪涌抗擾度水平。

圖1 IEC 61000-4-5浪涌1.2μs/50μs波形

圖2顯示了本應(yīng)用筆記中用于浪涌測(cè)試的CAN端口的耦合網(wǎng)絡(luò)。電阻并聯(lián)總和為40?。對(duì)于半雙工器件，各電阻為80Ω。請(qǐng)注意，浪涌測(cè)試期間還包括高速CAN總線的終端網(wǎng)絡(luò)。

圖2 適用于CAN FD收發(fā)器的浪涌耦合網(wǎng)絡(luò)

浪涌測(cè)試期間，將10個(gè)正脈沖和10個(gè)負(fù)脈沖施加于數(shù)據(jù)端口，各脈沖最長間隔時(shí)間為10秒鐘。在測(cè)試期間，器件在三種條件下進(jìn)行設(shè)置，即未通電模式、正常工作模式和待機(jī)模式。在施加浪涌脈沖應(yīng)力之前和之后檢查CANH和CANL引腳上的泄漏，同時(shí)在測(cè)試之前、期間和之后監(jiān)測(cè)開關(guān)信號(hào)和ICC電流。進(jìn)行浪涌測(cè)試以確保IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)所述的性能判據(jù)B。判據(jù)B允許暫時(shí)喪失功能或暫時(shí)降低性能，但必須在無需操作人員干預(yù)的情況下進(jìn)行自我恢復(fù)。

基于CAN FD的浪涌瞬變保護(hù)解決方案

EMC瞬態(tài)事件隨時(shí)間變化。必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)并確定特性，了解受保護(hù)器件的輸入/輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)性能，并且使用保護(hù)元件，才能確保電路達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)一般只包含直流數(shù)據(jù)，由于動(dòng)態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數(shù)據(jù)沒有太多價(jià)值。

本文介紹具有完整特性的五種不同浪涌解決方案。每種解決方案都為ADI公司的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器提供不同的成本/保護(hù)級(jí)別，并使用一系列外部電路保護(hù)元件增強(qiáng)了浪涌保護(hù)。使用的兩種外部電路保護(hù)元件包括瞬態(tài)電壓抑制器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C和TCLAMP1202P）和晶閘管浪涌保護(hù)器（TISP7038L1和TISP4P035L1N）。

TVS保護(hù)器件選項(xiàng)

第一種解決方案使用不同的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)陣列。由兩個(gè)雙向TVS二極管組成的典型TVS陣列如圖3所示。表2顯示了有關(guān)防止浪涌瞬變的電壓電平、共模電壓和封裝PCB尺寸的詳細(xì)信息。

圖3 TVS保護(hù)方案

TVS是基于硅的器件。正常工作條件下，TVS具有很高的對(duì)地阻抗；理想情況下，它是開路。保護(hù)方法是將瞬態(tài)導(dǎo)致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS的擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時(shí)，TVS會(huì)將瞬態(tài)箝位到小于保護(hù)器件的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬變立即受到箝位(< 1 ns)，瞬變電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移至地。

典型雙向TVS的I/V特性如圖4所示。TVS的VRWM必須與CAN FD端口的共模電壓匹配。確保擊穿電壓VBR在受保護(hù)引腳的正常工作范圍之外，這一點(diǎn)也很重要。IPP的RDYN和VCLAMP較低，通常會(huì)將大部分浪涌電流分流至地，并將電壓箝位到引腳的故障電壓以下。

圖4 典型雙向TVS I/V特性

表2 TVS保護(hù)選項(xiàng)

¹ CANH/CANL端口對(duì)所需的保護(hù)器件數(shù)量。

² 數(shù)值來自器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。

TISP保護(hù)器件選項(xiàng)

另一種類型的電涌保護(hù)器件是快速恢復(fù)器件，例如完全集成式浪涌保護(hù)器(TISP)。圖5顯示了作為外部浪涌保護(hù)器件進(jìn)行研究的兩種Bourns TISP。這些器件提供了更多具有不同共模電壓范圍和成本/浪涌性能水平的選項(xiàng)，如表3所示。

圖5 TISP保護(hù)方案

表3 TISP保護(hù)選項(xiàng)

¹ CANH/CANL端口對(duì)所需的保護(hù)器件數(shù)量。

² 數(shù)值來自器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來限制過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續(xù)電壓-電流特性，它是由于高電壓區(qū)和低電壓區(qū)之間的切換動(dòng)作而導(dǎo)致的。圖6顯示了器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區(qū)域則導(dǎo)致了箝位動(dòng)作。

圖6 TISP切換特性和電壓限制波形

在限制過壓的過程中，受保護(hù)電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護(hù)打開狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區(qū)域。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降低到臨界值以下時(shí)，TISP器件自動(dòng)復(fù)位，以便恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。

關(guān)于這類器件的選擇，需要考慮幾點(diǎn)。首先，TISP的擊穿電壓必須高于端口的共模電壓。此外，TISP具有出色的功率密度效率，通常會(huì)提供較高的IPP。但是，脈沖上升終端的電壓過沖可能非常高，并可能損壞被測(cè)端口，這通常會(huì)限制浪涌保護(hù)級(jí)別。不過，在IEC ESD測(cè)試期間，TISP的低保持電壓可能會(huì)導(dǎo)致一些閂鎖問題。此處列出的TISP解決方案已按照IEC 61000-4-2 ESD進(jìn)行測(cè)試，可以消除此問題。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)面向CAN FD網(wǎng)絡(luò)的EMC兼容解決方案時(shí)，主要難題是讓外部保護(hù)元件的動(dòng)態(tài)性能與CAN FD收發(fā)器輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能相匹配。文中介紹了適用于ADM3055E/ADM3057E隔離信號(hào)和電源CAN FD收發(fā)器的五種浪涌保護(hù)解決方案，為設(shè)計(jì)人員提供了多種選項(xiàng)，可根據(jù)保護(hù)級(jí)別、共模范圍和成本要求進(jìn)行選擇。表4總結(jié)了這些保護(hù)器件選項(xiàng)。

雖然這些設(shè)計(jì)工具不能取代所需的系統(tǒng)級(jí)嚴(yán)格評(píng)估和專業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)早期降低EMC問題導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，從而避免已知缺陷，并縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間。

表4 針對(duì)不同系統(tǒng)要求和IEC 61000-4-5浪涌級(jí)別的浪涌保護(hù)解決方案

¹ CANH/CANL端口對(duì)所需的保護(hù)器件數(shù)量。

² 數(shù)值來自器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。