帶隔離通信接口的設(shè)備,在不同的使用、安裝狀態(tài)下,接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性,了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下,ESD對接口的影響的機(jī)理,才能有針對性地增加保護(hù)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,對常見的設(shè)備狀態(tài)下,ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改善措施。
帶有隔離CAN或RS-485通信接口模塊設(shè)計(jì)
發(fā)布時間:2018-07-03 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,以提升總線的抗干擾能力,但設(shè)備接口可能會采用端子與外部連接,可能會在安裝、維修過程中有靜電等能量輸入,從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問題呢?本文為你揭秘。
隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,以提升總線的抗干擾能力,但設(shè)備接口可能會采用端子與外部連接,可能會在安裝、維修過程中有靜電等能量輸入,從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問題呢?本文為你揭秘。
帶隔離通信接口的設(shè)備,在不同的使用、安裝狀態(tài)下,接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性,了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下,ESD對接口的影響的機(jī)理,才能有針對性地增加保護(hù)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,對常見的設(shè)備狀態(tài)下,ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改善措施。
帶隔離通信接口的設(shè)備,在不同的使用、安裝狀態(tài)下,接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性,了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下,ESD對接口的影響的機(jī)理,才能有針對性地增加保護(hù)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,對常見的設(shè)備狀態(tài)下,ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改善措施。
一、設(shè)備控制側(cè)有接保護(hù)地,總線側(cè)懸空
如圖1,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)有接入保護(hù)地(PE),總線側(cè)參考地懸空,與PE無任何連接。
圖 1
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景:
產(chǎn)品開發(fā)測試過程中;
單個產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時;
設(shè)備組網(wǎng)時,控制側(cè)已接入保護(hù)地,正在進(jìn)行總線接入或斷開操作時;
設(shè)備組網(wǎng)后,總線側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析:
假設(shè)控制側(cè)均做了足夠的保護(hù)措施,當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時,能量通過控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE,對隔離通信接口基本無影響,如圖 2。
圖 2
當(dāng)總線接口受到靜電放電時,由于總線側(cè)懸空,能量只能通過隔離柵的等效電容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會非常高,幾乎等同于放電電壓,如圖 3。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,則會導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
圖 3
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的靜電來說是非常脆弱的,極易出現(xiàn)損壞情況。
改善方法:
為了減輕隔離柵的壓力,可以在隔離柵兩邊增加一個電容Cp, 為靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 4,總線側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE,并可以有效降低隔離柵兩側(cè)電壓,從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。
圖 4
為了達(dá)到良好效果,Cp容值應(yīng)遠(yuǎn)大于Ciso,建議取100pF~1000pF之間。若無安規(guī)要求,可與Cp并聯(lián)一個大阻值泄放電阻,如1M,以防靜電積累;若有安規(guī)要求,一般需要去除泄放電阻,同時選擇安規(guī)電容。器件選擇時,注意阻容耐壓需要滿足設(shè)備指標(biāo)要求。
二、設(shè)備控制側(cè)懸空,總線側(cè)有接保護(hù)地
如圖 5,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)參考地懸空,與PE無任何連接,總線側(cè)有接入保護(hù)地(PE)。
圖 5
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景:
產(chǎn)品開發(fā)測試過程中;
單個產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時;
設(shè)備組網(wǎng)時,總線側(cè)先接地,控制側(cè)未接地時;
設(shè)備組網(wǎng)后,控制側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析:
類似的,當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時,由于控制側(cè)懸空,能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進(jìn)行泄放,由于Ciso非常小,兩端電壓Viso會非常高,如圖 6。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,則會導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
圖 6
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時,靜電能量通過隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE,如圖 7。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力,總線接口則可能損壞。
圖 7
改善方法:
類似的,在隔離柵并聯(lián)增加一個電容Cp,可以為來自控制側(cè)的靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 8,控制側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE,從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。若無安規(guī)要求,可與Cp并聯(lián)一個大阻值泄放電阻,如1M,以防靜電積累。
圖 8
對于總線側(cè)的靜電,可以在總線側(cè)增加高等級ESD防護(hù)器件(如TVS管),靜電能量會通過防護(hù)器件泄放至PE,由此來提高總線側(cè)的靜電能力,如圖 9。TVS選型時需注意,其導(dǎo)通電壓必須小于隔離接口可承受的最大電壓,同時大于信號電壓;在通信速率高、或節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時,也需要注意盡量選取等效電容小的器件,以免影響總線正常通信。
圖 9
三、設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)均有接保護(hù)地
如圖 10,此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)都通過一定方式接入保護(hù)地(PE)。
圖 10
狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景:
設(shè)備自身接PE,總線組網(wǎng)后單點(diǎn)接PE。
靜電分析:
當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時,能量通過控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE1,對隔離通信接口基本無影響,如圖 11。
圖 11
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時,靜電能量通過隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE2,如圖 12。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力,總線接口則可能損壞。
圖 12
改善方法:
在總線側(cè)增加高等級ESD防護(hù)器件(如TVS管),靜電能量會通過防護(hù)器件泄放至PE2,由此來提高總線側(cè)的靜電能力,如圖 13。
圖 13
推薦的實(shí)際應(yīng)用電路
為了滿足上述提到的三種設(shè)備狀態(tài)下,隔離接口模塊均得到有效的靜電保護(hù),建議進(jìn)行隔離接口設(shè)計(jì)時,參考圖 14所示電路,增加Cp、Rp以及TVS,提高隔離接口的ESD抗擾能力。注意,若產(chǎn)品有安規(guī)要求,如需要進(jìn)行耐壓測試、絕緣電阻測試,則不能增加Rp電阻。
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會存在各種不同的狀態(tài),對于與上述描述不同的情況,也可按以上的方法進(jìn)行分析,并有針對性的增加保護(hù)器件,從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。
圖 14
四、總結(jié)
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會存在各種不同的狀態(tài),對于與上述描述不同的情況,也可按以上的方法進(jìn)行分析,并有針對性的增加保護(hù)器件,從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司基于多年的總線防護(hù)設(shè)計(jì)積累推出了高防護(hù)等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn),靜電防護(hù)等級可達(dá)接觸±8kV,空氣放電±15kV,浪涌防護(hù)可達(dá)±4kV隔離CAN解決方案,具體如下圖15所示,能夠適用于各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。應(yīng)用簡便,即插即用,應(yīng)用原理圖如下圖16所示。
圖 15 CTM1051(A)HP的EMC性能
圖 16 應(yīng)用原理圖
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