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探討總線(xiàn)隔離后的接地方法

發(fā)布時(shí)間:2019-08-01 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】CAN與485都是工業(yè)通信中常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),各位工程師對(duì)于總線(xiàn)隔離方案想必都極為熟悉,但可能會(huì)遇到總線(xiàn)采用了隔離方案依舊通訊異常的情況,本文將帶您一起探討總線(xiàn)隔離后該如何接地?
 
前言
 
為保證總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通訊穩(wěn)定性,通訊接口通常會(huì)做隔離,隔離的主要目的:
 
安規(guī)考慮:保護(hù)設(shè)備及人身安全,隔開(kāi)潛在的高壓危險(xiǎn);
 
提高通信的穩(wěn)定性:消除地電勢(shì)差的影響;
 
提高器件的可靠性:消除地環(huán)路影響;
 
低耦合:提高系統(tǒng)間的兼容性。
 
目前實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)隔離有兩種方案:采用分立元器件搭建或采用集成模塊。
 
隔離接地的原理
 
總線(xiàn)增加隔離固然可以保證總線(xiàn)穩(wěn)定可靠地通信,但是帶隔離通信接口的設(shè)備,在復(fù)雜的環(huán)境或安裝狀態(tài)下,接口會(huì)表現(xiàn)出完全不同的ESD特性,了解ESD對(duì)接口的影響機(jī)理,才能有針對(duì)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(duì)常見(jiàn)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。
 
1、總線(xiàn)側(cè)懸空
 
此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)有接入保護(hù)地(PE),總線(xiàn)側(cè)參考地懸空,與PE無(wú)任何連接,如下圖1。
 
 
 
 
接下來(lái)進(jìn)行分析:
 
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(shí),能量通過(guò)控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE,對(duì)隔離通信接口基本無(wú)影響,如下面圖2。
 
當(dāng)總線(xiàn)接口受到靜電放電時(shí),由于總線(xiàn)側(cè)懸空,能量只能通過(guò)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(huì)非常高,幾乎等同于放電電壓,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(huì)導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞,如下面圖3。
 
注意:對(duì)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(duì)于更高等級(jí)的6kV或8kV的靜電來(lái)說(shuō)是非常脆弱的,極易出現(xiàn)損壞情況。
 
 
 
 
 
 
 
2、設(shè)備控制測(cè)懸空
 
此狀態(tài)下,設(shè)備控制側(cè)參考地懸空,與PE無(wú)任何連接,總線(xiàn)側(cè)有接入保護(hù)地(PE),如下圖4。
 
 
 
 
接下來(lái)進(jìn)行分析:
 
當(dāng)總線(xiàn)側(cè)接口受到靜電放電時(shí),靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內(nèi)部總線(xiàn)側(cè)器件泄放至PE,但若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線(xiàn)側(cè)器件的ESD抗擾能力,總線(xiàn)接口則可能損壞,如下面圖5。
 
當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí),由于控制側(cè)懸空,能量只能通過(guò)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(huì)非常高,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(huì)導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞,如下面圖6。
 
 
 
 
 
 
 
3、改善措施
 
針對(duì)上述兩種情況,隔離接口模塊需要得到有效的靜電保護(hù),建議進(jìn)行隔離接口設(shè)計(jì)時(shí),增加Cp、Rp以及TVS,提高隔離接口的ESD抗擾能力。
 
電容Cp的作用:減輕隔離柵的壓力,為靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑,靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放,為達(dá)到良好效果,Cp容值應(yīng)遠(yuǎn)大于Ciso,建議取100pF~1000pF之間。
 
TVS管的作用:對(duì)于總線(xiàn)側(cè)的靜電,靜電能量會(huì)通過(guò)防護(hù)器件泄放,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(shí)大于信號(hào)電壓;在通信速率高、或節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí),也需要注意盡量選取等效電容小的器件,以免影響總線(xiàn)正常通信。
 
 
 
 
注意:若產(chǎn)品無(wú)安規(guī)要求,可與Cp并聯(lián)一個(gè)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(shí)選擇安規(guī)電容。
 
完善的總線(xiàn)接口保護(hù)電路
 
前面只是對(duì)ESD的作用機(jī)理進(jìn)行了分析,但隨著工業(yè)產(chǎn)品對(duì)通信接口的EMC等級(jí)要求越來(lái)越高。許多應(yīng)用要求滿(mǎn)足IEC61000-4-2靜電放電4級(jí),IEC61000-4-5浪涌抗擾4級(jí)要求。一般的收發(fā)器ESD、浪涌的防護(hù)等級(jí)均比較低,如CTM1051M隔離CAN收發(fā)器的隔離耐壓為2500VDC,裸機(jī)情況下,ESD、浪涌等級(jí)均較低。所以有必要增加外圍電路,提高通信端口的EMC等級(jí)。
 
 
 
 
以CAN總線(xiàn)為例,上圖為完善的外圍推薦電路。其中GDT置于最前端,提供一級(jí)防護(hù),當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí),GDT瞬間達(dá)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(nèi)。實(shí)際取值可根據(jù)防護(hù)等級(jí)及器件成本綜合考慮進(jìn)行調(diào)整,R3 與 R4 建議選用 PTC,D1~D6 建議選用快恢復(fù)二極管,參數(shù)表如下。
 
表1  推薦參數(shù)表
 
另一種方案則是采用ZLG的SP00S12浪涌保護(hù)模塊,可用于各種信號(hào)傳輸系統(tǒng),抑制雷擊、浪涌、過(guò)壓等有害信號(hào),對(duì)設(shè)備信號(hào)端口進(jìn)行保護(hù)。搭配ZLG的全隔離CTM或SC系列的隔離CAN收發(fā)器,如下圖??蓸O大程度的提升產(chǎn)品的集成度,于此同時(shí)極大程度的縮小開(kāi)發(fā)周期。
 
 
 
 
阻容回路接地的必要性
 
前面講述了總線(xiàn)隔離之后接地的原理以及推薦電路,想必大家已經(jīng)很清楚了,在現(xiàn)場(chǎng),很多客戶(hù)會(huì)提到總線(xiàn)隔離之后為什么需要阻容接地呢?這里給大家簡(jiǎn)單描述一下:
 
1、電容:從EMS(電磁抗擾度)角度說(shuō),這個(gè)電容是在假設(shè)PE良好連接大地的前提下,降低可能存在的影響(以大地電平為參考的高頻干擾信號(hào)對(duì)電路的影響),是為了抑制電路和干擾源之間瞬態(tài)共模壓差的。其實(shí)GND直連PE是最好的,但是,直連可能不可操作或者不安全。從EMI(電磁干擾)角度說(shuō),如果有與PE相連的金屬外殼,有這個(gè)高頻路徑,也能夠避免高頻信號(hào)輻射出來(lái)。
 
2、1M電阻:這是對(duì)付ESD(靜電放電)測(cè)試用的。因?yàn)檫@種用電容連接PE和GND的系統(tǒng)(浮地系統(tǒng)),在做ESD測(cè)試的時(shí)候,打入被測(cè)電路的電荷無(wú)處釋放,會(huì)逐漸累積,抬升或降低GND相對(duì)PE的電平,累積到一定程度,超過(guò)了PE和電路之間的絕緣最薄弱處所能耐受的電壓范圍,GND和PE之間就會(huì)放電,幾個(gè)納秒間,在PCB上的產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百安培的電流,這足以讓任何電路因EMP(電磁脈沖)宕機(jī),或者是讓PE與電路之間絕緣最薄弱處所在信號(hào)連接的器件損壞。但是有時(shí)候又不能直接連接PE和GND,那么就用一個(gè)1~2M的電阻去慢慢釋放這個(gè)電荷,以消除二者間的壓差。當(dāng)然1~2M這個(gè)數(shù)值是根據(jù)ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)選擇的,因?yàn)镮EC61000里面規(guī)定最高的重復(fù)次數(shù)只有10次/秒,如果你搞個(gè)1000次/秒的非標(biāo)ESD放電,那么1~2M的電阻我覺(jué)得是不能釋放掉累積的電荷的。
 
文章轉(zhuǎn)載自公眾號(hào):ZLG立功科技一致遠(yuǎn)電子, 作者:AE
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