適用于ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器的浪涌保護(hù)解決方案

具有靈活數(shù)據(jù)速率的控制器局域網(wǎng)（CAN FD）是一種2線差分串行通信協(xié)議，使微控制器和其他設(shè)備網(wǎng)絡(luò)無需專用主機(jī)控制器即可進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都需要一個CAN FD收發(fā)器，以便在微控制器使用的本地單端信號和魯棒的板外通信所需的差分信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換功能要求將CAN FD收發(fā)器物理插入敏感電子設(shè)備和外部世界之間。在工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中，由操作不當(dāng)、電氣噪聲工作環(huán)境甚至雷擊引起的大瞬態(tài)電壓可能是導(dǎo)致通信端口和底層電子設(shè)備損壞的巨大應(yīng)力。信號和電源隔離ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器是一款能夠承受許多瞬態(tài)電壓并保護(hù)敏感電子器件的器件。

根據(jù)適用的IEC標(biāo)準(zhǔn)，瞬態(tài)電壓分為靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）和浪涌，并根據(jù)瞬態(tài)的大小按級別進(jìn)行評級。4 級 IEC 61000-4-2 ESD 保護(hù)、IEC 61000-4-4 EFT 抗擾度和 4+ 級交叉屏障 IEC 61000-4-5 浪涌保護(hù)通過 ADM3055E/ADM3057E 隔離信號和功率 CAN FD 收發(fā)器的片內(nèi)集成保護(hù)實現(xiàn)。

雖然跨勢壘浪涌被i耦合器隔離柵吸收，但通過總線側(cè)接地返回的浪涌會消耗收發(fā)器上的大量功率，除非轉(zhuǎn)移。本應(yīng)用筆記討論了ADM61000E/ADM4E收發(fā)器CAN FD端口上的IEC 5-3055-3057浪涌保護(hù)特性解決方案。根據(jù)所需的浪涌保護(hù)級別、共模范圍要求和可用 PCB 面積對設(shè)計選項進(jìn)行了表征。

本應(yīng)用筆記的元件測試使用ADM3055E/ADM3057E進(jìn)行。ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E等其他器件使用相同的收發(fā)器芯片，本應(yīng)用筆記中介紹的信息通常也適用于這些器件。

概述

罐 FD 標(biāo)準(zhǔn)

具有靈活數(shù)據(jù)速率的控制器局域網(wǎng) （CAN FD） 是具有內(nèi)置故障處理功能的分布式通信標(biāo)準(zhǔn)，在 ISO-118981-2：2016 中為開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的物理和數(shù)據(jù)鏈路層指定。CAN FD雖然最初是為汽車應(yīng)用而開發(fā)的，但由于CAN FD使用的通信機(jī)制的固有優(yōu)勢，它已被廣泛用于工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用。

ADM3055E/ADM3057E隔離信號和電源收發(fā)器具有±25V的擴(kuò)展共模范圍。共模范圍超過ISO 11898-2：2016的要求，并提供 即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間存在較大的接地偏移，也能實現(xiàn)可靠的通信。隔離式收發(fā)器在全速模式下也大大超過了ISO 11898-2：2016的定時要求。低環(huán)路延遲使設(shè)計人員能夠?qū)⒚總€位的更大部分用于建立時間。擴(kuò)展的共模范圍和時序規(guī)格可為工業(yè)應(yīng)用提供更遠(yuǎn)距離的更可靠通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收發(fā)器

在現(xiàn)場安裝中，直接接觸、電線損壞、電感開關(guān)、電源波動、電弧，甚至附近的雷擊，都有可能對網(wǎng)絡(luò)造成損壞。設(shè)計師 必須確保設(shè)備不僅在理想條件下運行，而且在惡劣的現(xiàn)實環(huán)境中可靠運行。為了確保這些設(shè)計能夠在電氣惡劣的環(huán)境中生存，各種政府機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都實施了EMC法規(guī)。遵守這些法規(guī)可確保最終用戶在這些惡劣的電磁環(huán)境中按預(yù)期運行設(shè)計。

隔離信號和電源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i耦合器技術(shù)，將 3通道隔離器、CAN FD收發(fā)器和ADI公司ISOPower隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器集成單個表面貼裝小外形集成電路（SOIC_IC）封裝。?

EFT和ESD瞬變具有相似的能量電平，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT保護(hù)通過片內(nèi)保護(hù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。浪涌波形具有更高的能量電平，浪涌瞬態(tài)電壓可以施加在隔離柵或收發(fā)器芯片上。集成的i耦合器隔離柵技術(shù)為跨越隔離柵發(fā)生的浪涌瞬變提供增強(qiáng)保護(hù)。表 1 中提供了集成保護(hù)級別。保護(hù)收發(fā)器免受高浪涌的影響需要外部保護(hù)器件，本應(yīng)用筆記將對此進(jìn)行討論。

浪涌抗擾度測試

浪涌瞬變是由開關(guān)或雷電瞬變的過電壓引起的。開關(guān)瞬變可能是由電力系統(tǒng)開關(guān)、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障引起的，例如安裝的接地系統(tǒng)的短路和電弧故障。雷電瞬變可能是由于附近的雷擊注入電路的高電流和電壓造成的。IEC 61000-4-5定義了波形，測試方法和測試級別，用于評估電氣和電子設(shè)備在受到這些浪涌時的抗擾度。

圖1顯示了1.2 μs/50 μs浪涌瞬態(tài)波形。波形被指定為波形發(fā)生器的開路電壓和短路電流的輸出。浪涌瞬變被認(rèn)為是最嚴(yán)重的EMC瞬變，因為它的能量水平比ESD或EFT脈沖中的能量大三到四個數(shù)量級。因此，由于其高能量，通常需要外部保護(hù)裝置來提高高浪涌抗擾度。

圖1.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2 μs/50 μs 波形

圖2顯示了本應(yīng)用筆記中用于浪涌測試的CAN端口的耦合網(wǎng)絡(luò)。電阻的總平行總和為 40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。請注意，在浪涌測試期間還包括高速CAN總線的終端網(wǎng)絡(luò)。

圖2.用于CAN FD收發(fā)器的浪涌耦合網(wǎng)絡(luò)

在浪涌測試期間，向數(shù)據(jù)端口施加10個正脈沖和10個負(fù)脈沖，每個脈沖之間的最大時間間隔為<>秒。設(shè)備在三種條件下設(shè)置，即無源模式、正常工作模式和測試期間的待機(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，同時開關(guān)信號和 I抄送在測試之前、期間和之后，還要監(jiān)測電流。進(jìn)行浪涌測試以確保IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)描述的性能標(biāo)準(zhǔn)B。標(biāo)準(zhǔn)B允許暫時喪失功能或暫時降低性能，但必須在沒有操作員干預(yù)的情況下進(jìn)行自我恢復(fù)。

用于 CAN FD 的浪涌瞬態(tài)保護(hù)解決方案

EMC 瞬態(tài)事件因時間而異。為了確保電路符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，需要仔細(xì)設(shè)計、表征并了解受保護(hù)器件和保護(hù)元件的輸入/輸出級的動態(tài)性能。元件數(shù)據(jù)手冊通常只包含直流數(shù)據(jù)，鑒于動態(tài)擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價值有限。

本應(yīng)用說明介紹了五種不同的完全表征的浪涌解決方案。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)級別，這些收發(fā)器使用精選的外部電路保護(hù)元件提供增強(qiáng)的浪涌保護(hù)。使用的兩種類型的外部電路保護(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)設(shè)備選件

第一種解決方案使用不同的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）陣列。由兩個雙向TVS二極管組成的典型TVS陣列如圖3所示。表2顯示了針對浪涌瞬變、共模電壓和封裝PCB尺寸保護(hù)的電壓電平的詳細(xì)信息。

圖3.TVS保障計劃

TVS是一種基于硅的設(shè)備。在正常工作條件下，TVS對地阻抗高;理想情況下，它是一個開路。保護(hù)是通過將過壓從瞬態(tài)箝位到電壓限值來實現(xiàn)的。這是通過PN結(jié)的低阻抗雪崩擊穿完成的。當(dāng)產(chǎn)生大于TVS擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時，TVS將瞬態(tài)鉗位到小于其所保護(hù)設(shè)備的擊穿電壓的預(yù)定水平。瞬態(tài)瞬態(tài)被瞬時箝位（< 1 ns），瞬態(tài)電流從受保護(hù)器件轉(zhuǎn)移到地。

典型雙向TVS的I/V特性如圖4所示。VRWM的TVS必須與CAN FD端口的共模電壓匹配。確保擊穿電壓V也很重要BR超出受保護(hù)引腳的正常工作范圍。較低的R戴恩和 V鉗在我聚丙烯通常優(yōu)選將大多數(shù)浪涌電流分流到地，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

TISP 保護(hù)器件選項

另一種類型的電涌保護(hù)器是回彈設(shè)備，例如，全集成電涌保護(hù)器（TISP）。本文研究了兩個 Bourns TISP，作為圖 5 所示的外部浪涌保護(hù)器件。這些器件提供了更多選項，具有不同的共模電壓范圍和成本/浪涌性能水平，如表3所示。

圖5.TISP 保護(hù)計劃

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電流來限制過電壓。作為晶閘管，TISP具有由以下原因引起的不連續(xù)電壓-電流特性： 在高壓和低壓區(qū)域之間切換動作。圖6顯示了該器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態(tài)之前，低阻抗接地以分流瞬態(tài)能量，由雪崩擊穿區(qū)域引起箝位動作。

圖6.TISP 開關(guān)特性和限壓波形

在限制過壓時，受保護(hù)電路在TISP器件處于擊穿區(qū)域的短時間內(nèi)暴露在高壓下，然后切換到低壓保護(hù) 在狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)移電流降至臨界值以下時，TISP器件會自動復(fù)位，從而恢復(fù)正常的系統(tǒng)操作。

關(guān)于此類設(shè)備的選擇，需要考慮幾點。首先，TISP的擊穿電壓必須高于端口的共模電壓。此外，TISP經(jīng)常 由于其出色的功率密度效率，可提供高 IPP。但是，脈沖上升沿的電壓過沖可能相當(dāng)高，并可能損壞被測端口，這通常是浪涌保護(hù)級別的限制因素。然而，TISP的低保持電壓可能會在IEC ESD測試期間引起一些閂鎖問題。此處列出的TISP解決方案已根據(jù)IEC 61000-4-2 ESD進(jìn)行了測試，以消除此問題。

結(jié)論

為CAN FD網(wǎng)絡(luò)設(shè)計EMC兼容解決方案的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是將外部保護(hù)組件的動態(tài)性能與CAN FD收發(fā)器的輸入/輸出結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能相匹配。本應(yīng)用筆記介紹了ADM3055E/ADM3057E隔離信號和功率CAN FD收發(fā)器的五種浪涌保護(hù)解決方案，根據(jù)保護(hù)級別、共模范圍和成本要求為設(shè)計人員提供了多種選擇。表 4 總結(jié)了這些保護(hù)器件選項。

雖然這些設(shè)計工具不能取代系統(tǒng)級所需的盡職調(diào)查或資格認(rèn)證，但它們允許設(shè)計人員在設(shè)計周期開始時降低由于EMC問題而導(dǎo)致的風(fēng)險。 避免已知的陷阱，并縮短整體設(shè)計時間。

審核編輯：郭婷