CAN總線(xiàn)如何防雷？

　　CAN-bus起源于汽車(chē)總線(xiàn)，目前被廣泛應用于環(huán)境復雜的工業(yè)現場(chǎng)，因此必要的總線(xiàn)防護是主板及設備安全的重要保障。今天這里跟說(shuō)一說(shuō)CAN總線(xiàn)防雷防護設計。

　　從廣義上講防雷包含兩個(gè)概念，一是防雷擊二是防浪涌。雷擊是雷雨云中電荷瞬間釋放的現象，它能在周?chē)鸶吣?、瞬變的電?chǎng)及磁場(chǎng)。浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓，它是指電路中瞬間出現超過(guò)正常工作電壓、電流的現象，如圖1，雷擊又可分為直擊雷、非直擊雷，直擊雷是雷電直接作用到物體上，非直擊雷則是通過(guò)電磁場(chǎng)感生出電動(dòng)勢、電流作用到物體上 ，兩者都能產(chǎn)生浪涌電壓、浪涌電流。

　　圖1 電壓浪涌

　　CAN總線(xiàn)物理層傳輸介質(zhì)一般為銅制雙絞線(xiàn)，容易受到電磁場(chǎng)的干擾。CAN收發(fā)器屬于弱電元器件，對電壓電流的沖擊毫無(wú)抵抗力，因此復雜工業(yè)現場(chǎng)CAN總線(xiàn)的防雷設計十分必要。CAN總線(xiàn)防雷要從兩方面入手，一是CAN收發(fā)器處，即接口防護。二是物理介質(zhì)處，即傳導防護。防護的思路主要是屏蔽干擾、提供泄放通道、隔離保護。

　　一、接口防護

　　CAN的接口防護一般是在收發(fā)器外加隔離保護器件，如光耦、磁耦等。為接口設計方便，我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊。相比于單個(gè)的收發(fā)器芯片，模塊化的產(chǎn)品環(huán)境適應性更強。圖2是超小體積、隔離型CAN收發(fā)模塊，這種模塊可以?huà)燧d到CAN總線(xiàn)上，擁有高達2500VDC隔離耐壓值。

　　圖2 隔離型CAN收發(fā)模塊及應用電路

　　根據經(jīng)驗，隔離型模塊在容易遭受大能量雷擊的場(chǎng)合工作時(shí)，仍需要加更高等級的防護電路，保護模塊不被損壞以及總線(xiàn)的可靠通信。常用的器件有GDT、TVS以及共模電感。如圖3所示，GDT被放置于接口最前端，提供第一級的雷擊浪涌防護。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。后端的TVS提供第二級浪涌防護，具體規格可根據需求選擇。

　　圖3 高防護CAN接口電路

　　上述推薦的接口電路雖然能夠提供有效的防護，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著(zhù)接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數選擇不合適易造成EMC問(wèn)題。有沒(méi)有更簡(jiǎn)潔的防護設計呢?可選擇引入專(zhuān)業(yè)的浪涌抑制器，這種小體積模塊采用灌封材料，具備高防護等級要求。

　　以SP00S12模塊為例，它可以滿(mǎn)足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等級要求，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，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護。以共模浪涌測試為例，在SP00S12輸入端加載4KV、 1.2/50μs 浪涌電壓(圖4)，在輸出端測試壓降已被降低至17.1V(圖5)。

　　圖4 輸入端電壓波形4KV

　　圖5 輸出端波形電壓17.1V

　　圖6是一個(gè) CAN節點(diǎn)電路設計，在收發(fā)器與CAN總線(xiàn)間添加 SP00S12，可使 CAN 信號端口輕松滿(mǎn)足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。

　　圖6 浪涌抑制器的應用

　　除此之外，我們還有更好的選擇，如圖7采用一體化的高浪涌防護隔離 CAN 收發(fā)器可以完全代替隔離CAN收發(fā)器與浪涌抑制器的組合。此方案將最大限度簡(jiǎn)化電路設計、節省PCB空間、降低產(chǎn)品成本。它能夠防護4KV浪涌、15KV靜電的同時(shí)還具備極佳的EMC特性。

　　圖7 極簡(jiǎn)隔離方案

　　傳導防護

　　傳導防護主要是在傳輸線(xiàn)上進(jìn)行的。CAN總線(xiàn)的數據傳輸介質(zhì)一般為雙絞線(xiàn)，它主要的作用是抗低共模干擾，但是在面對浪涌、雷擊等情況時(shí)不僅沒(méi)有防護作用，反而易造成節點(diǎn)設備的損壞。因此，具備室外環(huán)境、長(cháng)傳輸距離、多節點(diǎn)設備特點(diǎn)的總線(xiàn)一般都要加隔離防護功能的網(wǎng)橋、中繼器，如圖8。當用戶(hù)的CAN總線(xiàn)受到強干擾導致死機或者損壞，接上該系列產(chǎn)品后，可以隔離干擾保護設備正常運行。優(yōu)秀的網(wǎng)橋及中繼器具有2500VDC、±8KV靜電等級的防護能力。

　　圖8 網(wǎng)橋防護方案

　　有沒(méi)有方法能徹底解決雷擊造成的隱患呢?答案是肯定的，只要數據的傳輸不依賴(lài)電信號就能完全隔離掉雷擊的危害。我們可以把CAN總線(xiàn)室外的部分或者說(shuō)容易受到干擾的部分使用光信號傳輸，這種方法目前已經(jīng)廣泛應用于高速鐵路、地鐵、煤礦、醫療、航空航天、樓宇安防、電梯控制等場(chǎng)合。

　　圖9 CAN轉光纖防護方案