浪涌保護不再難 適于A(yíng)DM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器的5種方案請查收

引言

在工業(yè)、汽車(chē)和儀器儀表應用中，因操作不當、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，導致通信端口和基礎電子設備受損。對此，ADI推出了信號和電源隔離式ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器，能夠承受其中許多瞬態(tài)電壓，并保護敏感的電子設備。

根據IEC標準和瞬態(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(guò)ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器的片內集成保護，可實(shí)現4級IEC 61000-4-2 ESD保護、IEC 61000-4-4 EFT抗擾度和4級+跨柵IEC 61000-4-5浪涌保護。

當跨柵浪涌通過(guò)iCoupler^?隔離柵吸收時(shí)，通過(guò)總線(xiàn)側接地返回的浪涌會(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浪涌保護的解決方案。根據所需浪涌保護級別、共模范圍要求和可用PCB面積，確定了設計選項的特性。

本文提及的組件測試使用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標準

CAN FD(具有靈活數據速率的控制器局域網(wǎng))是內置故障處理功能的分布式通信的標準，該標準詳細描述了基于ISO-118981-2:2016開(kāi)放系統互連(OSI)模型的物理和數據鏈路層規定相關(guān)要求。CAN FD最初專(zhuān)為汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)，由于其所用通信機制具有一些固有優(yōu)勢，因而廣泛應用于工業(yè)和儀器儀表領(lǐng)域。

ADM3055E/ADM3057E隔離信號和電源收發(fā)器的擴展共模范圍為±25V。共模范圍超過(guò)ISO 11898-2:2016的要求，即使網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間存在較大的接地失調，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(guò)ISO 11898-2:2016的時(shí)序要求。低環(huán)路延遲使設計人員能夠將每位的大部分用于建立時(shí)間。擴展的共模范圍和時(shí)序規范支持工業(yè)應用實(shí)現更可靠的遠程通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發(fā)器

在現場(chǎng)安裝中，直接接觸、電線(xiàn)損壞、感應開(kāi)關(guān)、電源波動(dòng)、電弧甚至附近的雷擊都有可能對網(wǎng)絡(luò )造成損壞。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在惡劣的現實(shí)環(huán)境中可靠運行。為了確保這些設計能夠在電氣條件惡劣的環(huán)境下工作，各個(gè)政府機構和監管機構推行了EMC法規。如果設計的產(chǎn)品符合這些法規，終端用戶(hù)就會(huì )確信它們在惡劣的電磁環(huán)境下也能正常工作。

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防護通過(guò)片內保護結構實(shí)現。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的保護。集成保護級別見(jiàn)表1。保護收發(fā)器免受高水平浪涌的影響需要外部保護器件，本文中將對此進(jìn)行討論。

表1 ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保護級別

浪涌抗擾度測試

浪涌瞬變通常由開(kāi)關(guān)操作造成的過(guò)壓情況或雷擊造成。開(kāi)關(guān)瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障（例如安裝時(shí)與接地系統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象影響的情況下用于評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

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

圖1 IEC 61000-4-5浪涌1.2μs/50μs波形

圖2顯示了本應用筆記中用于浪涌測試的CAN端口的耦合網(wǎng)絡(luò )。電阻并聯(lián)總和為40?。對于半雙工器件，各電阻為80Ω。請注意，浪涌測試期間還包括高速CAN總線(xiàn)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 )

浪涌測試期間，將10個(gè)正脈沖和10個(gè)負脈沖施加于數據端口，各脈沖最長(cháng)間隔時(shí)間為10秒鐘。在測試期間，器件在三種條件下進(jìn)行設置，即未通電模式、正常工作模式和待機模式。在施加浪涌脈沖應力之前和之后檢查CANH和CANL引腳上的泄漏，同時(shí)在測試之前、期間和之后監測開(kāi)關(guān)信號和ICC電流。進(jìn)行浪涌測試以確保IEC 61000-4-5標準所述的性能判據B。判據B允許暫時(shí)喪失功能或暫時(shí)降低性能，但必須在無(wú)需操作人員干預的情況下進(jìn)行自我恢復。

基于CAN FD的浪涌瞬變保護解決方案

EMC瞬態(tài)事件隨時(shí)間變化。必須進(jìn)行精心設計并確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動(dòng)態(tài)性能，并且使用保護元件，才能確保電路達到EMC標準。器件數據手冊一般只包含直流數據，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，因此這些數據沒(méi)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/保護級別，并使用一系列外部電路保護元件增強了浪涌保護。使用的兩種外部電路保護元件包括瞬態(tài)電壓抑制器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C和TCLAMP1202P）和晶閘管浪涌保護器（TISP7038L1和TISP4P035L1N）。

TVS保護器件選項

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尺寸的詳細信息。

圖3 TVS保護方案

TVS是基于硅的器件。正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗；理想情況下，它是開(kāi)路。保護方法是將瞬態(tài)導致的過(guò)壓箝位到電壓限值。這是通過(guò)PN結的低阻抗雪崩擊穿實(shí)現的。當產(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)箝位到小于保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位(< 1 ns)，瞬變電流從受保護器件轉移至地。

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保護選項

¹ CANH/CANL端口對所需的保護器件數量。

² 數值來(lái)自器件數據手冊。

TISP保護器件選項

另一種類(lèi)型的電涌保護器件是快速恢復器件，例如完全集成式浪涌保護器(TISP)。圖5顯示了作為外部浪涌保護器件進(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，如表3所示。

圖5 TISP保護方案

表3 TISP保護選項

¹ CANH/CANL端口對所需的保護器件數量。

² 數值來(lái)自器件數據手冊。

TISP的非線(xiàn)性電壓-電流特性通過(guò)轉移產(chǎn)生的電流來(lái)限制過(guò)壓。作為晶閘管，TISP具有非連續電壓-電流特性，它是由于高電壓區和低電壓區之間的切換動(dòng)作而導致的。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，雪崩擊穿區域則導致了箝位動(dòng)作。

圖6 TISP切換特性和電壓限制波形

在限制過(guò)壓的過(guò)程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開(kāi)狀態(tài)之前，TISP器件處在擊穿區域。當轉移電流降低到臨界值以下時(shí)，TISP器件自動(dòng)復位，以便恢復正常系統運行。

關(guān)于這類(lèi)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(guò)沖可能非常高，并可能損壞被測端口，這通常會(huì )限制浪涌保護級別。不過(guò)，在IEC ESD測試期間，TISP的低保持電壓可能會(huì )導致一些閂鎖問(wèn)題。此處列出的TISP解決方案已按照IEC 61000-4-2 ESD進(jìn)行測試，可以消除此問(wèn)題。

結論

在設計面向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元件的動(dòng)態(tài)性能與CAN FD收發(fā)器輸入/輸出結構的動(dòng)態(tài)性能相匹配。文中介紹了適用于A(yíng)DM3055E/ADM3057E隔離信號和電源CAN FD收發(fā)器的五種浪涌保護解決方案，為設計人員提供了多種選項，可根據保護級別、共模范圍和成本要求進(jìn)行選擇。表4總結了這些保護器件選項。

雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專(zhuān)業(yè)資質(zhì)，但能夠讓設計人員在設計早期降低EMC問(wèn)題導致的風(fēng)險，從而避免已知缺陷，并縮短整體設計時(shí)間。

表4 針對不同系統要求和IEC 61000-4-5浪涌級別的浪涌保護解決方案

¹ CANH/CANL端口對所需的保護器件數量。

² 數值來(lái)自器件數據手冊。