如何實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)隔離以確保 CAN 總線可靠運(yùn)行
發(fā)布時(shí)間:2020-10-09 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在與控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 通信總線互連的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中,使用的控制器數(shù)量正在不斷增加。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),這意味著他們必須考慮寬頻率范圍內(nèi)的電噪聲環(huán)境——從高頻輻射電磁干擾 (EMI) 到共模傳導(dǎo)干擾,以及電機(jī)、繼電器等各種負(fù)載的連接和斷開及交流發(fā)電機(jī) / 發(fā)電機(jī)的啟停引起的電壓尖峰。
在與控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 通信總線互連的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中,使用的控制器數(shù)量正在不斷增加。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),這意味著他們必須考慮寬頻率范圍內(nèi)的電噪聲環(huán)境——從高頻輻射電磁干擾 (EMI) 到共模傳導(dǎo)干擾,以及電機(jī)、繼電器等各種負(fù)載的連接和斷開及交流發(fā)電機(jī) / 發(fā)電機(jī)的啟停引起的電壓尖峰。雖然 CAN 總線適用于惡劣的電氣環(huán)境,但如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Wo(hù),它們很容易出現(xiàn)各種故障模式。
本文說(shuō)明了 CAN 故障的潛在原因,并介紹了常見(jiàn)的隔離技術(shù)。然后文中介紹了來(lái)自 Texas Instruments、RECOM Power、NXP Semiconductors 和 Analog Devices 等供應(yīng)商的解決方案(設(shè)計(jì)人員可使用這些解決方案保護(hù) CAN 設(shè)備),以及如何有效實(shí)施這些解決方案(包括使用評(píng)估板)的指導(dǎo)。提供的解決方案包括分立實(shí)施方案(即基于單個(gè) CAN 收發(fā)器)以及基于單芯片和雙芯片隔離 CAN 總線設(shè)計(jì)的集成解決方案。
故障的原因和隔離的必要性
CAN 總線故障可能由多種原因引起:子系統(tǒng)之間的接地電勢(shì)差;共模能量和輻射能量等一般噪聲源;以及配電總線上的高壓噪聲和尖峰。為確保汽車和工業(yè)系統(tǒng)中 CAN 總線互連器件的穩(wěn)健運(yùn)行,需要兩種隔離類型:
與電源總線隔離
連接各子系統(tǒng)的通信總線的隔離
與集成解決方案相比,電源和信號(hào)路徑單獨(dú)隔離的解決方案通常成本更低,效率更高。這些解決方案還使設(shè)計(jì)人員能夠獨(dú)立優(yōu)化兩條路徑的隔離電平。設(shè)計(jì)人員可自由選擇最適合具體應(yīng)用的隔離技術(shù)類型。選擇包括磁隔離、光隔離和電容隔離。有關(guān)各種隔離選擇的詳細(xì)討論不在本文的討論范圍內(nèi),但為了更好地了解,請(qǐng)參閱“How to Select the Right Galvanic Isolation Technology for IoT Sensors”。
基本電氣絕緣(使用絕緣材料)與強(qiáng)化絕緣之間也有區(qū)別。所需的絕緣水平取決于所涉及的電壓電平,以及是否存在從可接觸部件到地面的連接?;窘^緣提供一級(jí)防電擊保護(hù)。 電壓大于 60 V DC 或 30 V AC 的系統(tǒng)視為危險(xiǎn)系統(tǒng),需要至少一級(jí)保護(hù)。系統(tǒng)不一定具有故障保險(xiǎn)措施,但任何故障都將限制在系統(tǒng)內(nèi)。強(qiáng)化或雙重絕緣可提供兩級(jí)保護(hù)。這樣可以在發(fā)生故障時(shí)確保用戶的安全。接入市電電壓的系統(tǒng)要求具有強(qiáng)化絕緣。
隔離解決方案之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡
CAN 總線系統(tǒng)中的隔離選項(xiàng)包括電源和信號(hào)分別隔離的分立解決方案,以及完全集成的電源和信號(hào)隔離解決方案。集成解決方案還可包括相關(guān)保護(hù)功能,如高靜電放電 (ESD) 魯棒性和射頻 (RF) 抗擾度,從而使其可以在汽車和工業(yè)應(yīng)用中使用,而無(wú)需額外的保護(hù)器件,例如瞬態(tài)電壓抑制器二極管。
在這些不同的解決方案選項(xiàng)之間存在尺寸與效率的性能權(quán)衡。就解決方案尺寸而言,單芯片解決方案是最小的,典型封裝約為 330 平方毫米 (mm2)。雙芯片解決方案較大,通常約為 875 mm2。由于外部 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和所需支持元器件的尺寸,分立解決方案要大得多,典型尺寸約為 1,600 至 2,000 mm2。
此外,還有效率的權(quán)衡,解決方案越大往往效率明顯更高。但是,由于所涉及的功率水平往往相當(dāng)?shù)停ㄗ罡?15 毫安 (mA) 下 3 至 5 V),因此熱沖擊在設(shè)計(jì)中可能并不重要。單芯片和雙芯片解決方案的效率范圍為 50% 至 60%,使用外部 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的分立隔離解決方案的效率可高達(dá) 75% 至 80%。
CAN 收發(fā)器的分立隔離解決方案
隔離式 CAN 收發(fā)器是相對(duì)簡(jiǎn)單的器件。例如,考慮一下 Texas Instruments 的 ISO1042DWR 隔離式 CAN 收發(fā)器,其具有 70 V 總線故障保護(hù)和靈活的數(shù)據(jù)速率(圖 1)。該 ISO1042DWR 器件提供基本或強(qiáng)化隔離選擇?;?ISO1042 收發(fā)器設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用。
圖 1:ISO1042 隔離式 CAN 收發(fā)器提供基本或強(qiáng)化電隔離選擇。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
ISO1042 在 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 模式下支持最高 5 Mbps 的數(shù)據(jù)速率,數(shù)據(jù)傳輸速度與傳統(tǒng) CAN 相比要快得多。該器件使用二氧化硅 (SiO2) 絕緣片,耐壓能力為 5000 Vrms。ISO1042 使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)個(gè)別應(yīng)用的具體需求選擇最優(yōu)的總線保護(hù)器件。配合隔離式電源使用時(shí),該器件能夠防止數(shù)據(jù)總線或其它電路中的噪聲電流進(jìn)入本地接地,以避免干擾或損壞敏感電路。
這些隔離式 CAN 收發(fā)器具有多種安全相關(guān)的認(rèn)證(對(duì)于任何提供強(qiáng)化和 / 或基本隔離選項(xiàng)的器件而言,這些都是重要的安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證):
● 符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01 的 7071-VPK VIOTM 和 1500-VPK VIORM(強(qiáng)化和基本選項(xiàng))
● 根據(jù) UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)達(dá) 1 分鐘的 5000-VRMS 隔離能力
● IEC 60950-1、IEC 60601-1 和 EN 61010-1 認(rèn)證
● CQC、TUV 和 CSA 認(rèn)證
對(duì)于考慮 ISO1042 的設(shè)計(jì)人員,有兩種評(píng)估板選擇。Texas Instruments 提供的 ISO1042DWEVM 評(píng)估模塊使工程師能夠評(píng)估采用 16 引腳寬體 SOIC 封裝(封裝代碼 DW)的高性能、強(qiáng)化隔離型 CAN ISO1042。EVM 是一種雙芯片解決方案,具有足夠的測(cè)試點(diǎn)和跳線選項(xiàng),可以用最少的外部元器件來(lái)評(píng)估器件。
RECOM Power 面向 ISO1042 提供了 R-REF03-CAN1 評(píng)估板。R-REF03-CAN1 評(píng)估板展示了由 R1SX-3.305/H 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器供電的 ISO1042 隔離式 CAN 收發(fā)器。要為參考板供電,僅需要一個(gè) 3.3 V 外部電源。通過(guò)該參考板,設(shè)計(jì)人員能夠快速開發(fā)和分析隔離系統(tǒng)。
Texas Instruments 的 ISO1042 專為工業(yè) CAN 應(yīng)用而優(yōu)化,而 NXP 的 TJA1052i 高速 CAN 收發(fā)器則專門針對(duì)電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV),它們的高低壓部件之間需要電隔離柵(圖 2)。
圖 2:NXP 的 TJA1052i 針對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛進(jìn)行了優(yōu)化。(圖片來(lái)源:NXP Semiconductors)
TJA1052i 設(shè)計(jì)用于鋰離子 (Li-ion) 電池管理、再生制動(dòng)和 48 V 至 12 V 電平位移。該器件還可用于皮帶淘汰項(xiàng)目中高壓按需泵和電機(jī)的隔離。通過(guò) AEC-Q100 認(rèn)證的 TJA1052i 實(shí)現(xiàn)了 ISO 11898-2:2016 和 SAE J2284-1 至 SAE J2284-5 中定義的 CAN 物理層 (PHY)。提供三種隔離級(jí)別:1 千伏 (kV)、2.5 kV 和 5 kV。與 ISO1042 一樣,TJA1052i 也需要一個(gè)外部隔離電源。
集成電源和信號(hào)隔離解決方案
雖然分立 DC-DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)施方案通常比同等集成方案效率更高,但集成解決方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
電路板面積小
認(rèn)證更容易
設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
來(lái)自 Analog Devices 的 ADM3055E/ADM3057E 是 5 kV rms 和 3 kV rms 隔離式 CAN 收發(fā)器,帶有集成隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(圖 3)。
圖 3:ADM3055E/ADM3057E 隔離式 CAN 收發(fā)器集成電源和信號(hào)隔離。(圖片來(lái)源:Analog Devices)
這些器件采用 5 V 單電源供電,為 CAN 和 CAN FD 提供了完全隔離的解決方案。通過(guò)連續(xù)調(diào)整開關(guān)頻率,DC-DC 轉(zhuǎn)換器高頻開關(guān)的輻射性放射被限制在 EN 55022 B 類限值以下。5 kV rms 隔離電壓、10 kV 浪涌測(cè)試及 8.3 mm 爬電距離和間隙安全和監(jiān)管認(rèn)證(在撰寫本文時(shí)待批),確保 ADM3055E 滿足應(yīng)用的強(qiáng)化隔離要求。ADM3057E 采用 20 引線寬體 SOIC 封裝,具有 3 kV rms 的隔離電壓和 7.8 mm 的爬電距離。
為了支持基于 ADM3055E/ADM3057E 的設(shè)計(jì)開發(fā)工作,Analog Devices 提供了 EVAL-ADM3055EEBZ 評(píng)估板。ADM3055E 和 ADM3057E 集成了邏輯側(cè)開關(guān)鍵控 (OOK) 信號(hào)隔離通道和 Analog Devices 的 isoPower DC-DC 轉(zhuǎn)換器,在采用表面貼裝鐵氧體磁珠的雙層印刷電路 (pc) 板上傳輸時(shí),可提供遠(yuǎn)低于 EN55022 B 類限值的穩(wěn)壓隔離電源。
Texas Instruments 提供了一種不同的 CAN 通信電源和信號(hào)隔離方法,該方法基于雙芯片解決方案,使用 ISOW7841、雙通道隔離數(shù)據(jù)和電源器件,以及 CAN 收發(fā)器 TCAN1042H(圖 4)。
圖 4:這種雙芯片解決方案在一個(gè)芯片(左)中提供電源和信號(hào)隔離,在第二個(gè)芯片(右)中提供 CAN 通信。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
將變壓器集成在 ISOW7841 芯片內(nèi)部,不僅在 x 和 y 維度上,而且在 z(高度)維度上也節(jié)省了空間。要評(píng)估 ISOW7841,可使用 ISOW7841EVM 評(píng)估模塊。當(dāng)使用兩個(gè)芯片時(shí),可以將 ISOW7841 器件放在電路板的一側(cè),而將 CAN 器件放在另一側(cè),從而減少電路板的整體空間。
這種雙芯片解決方案的設(shè)計(jì)不需要任何額外元器件來(lái)產(chǎn)生隔離電源,相比使用分立變壓器產(chǎn)生所需隔離電源的解決方案,該隔離解決方案的尺寸不到其四分之一。一個(gè)相關(guān)的參考設(shè)計(jì)采用 3 V 至 5.5 V 的單電源輸入,數(shù)字信號(hào)參考電路板一側(cè)的輸入電源電平。然后,ISOW7841 利用集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生隔離電源,用于為電路板另一側(cè)的 CAN 收發(fā)器供電。電路板電源側(cè)的信號(hào)被隔離并連接到 CAN 收發(fā)器,后者將單端數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分 CAN 格式。
總結(jié)
為了保護(hù) CAN 總線免受子系統(tǒng)之間的接地電勢(shì)差、共模能量和輻射能量等一般噪聲源,以及配電總線上的高壓噪聲和尖峰導(dǎo)致的潛在故障影響,電源和信號(hào)隔離必不可少。
如上所述,CAN 總線系統(tǒng)的隔離選擇包括電源和信號(hào)單獨(dú)隔離的分立解決方案,以及完全集成的電源和信號(hào)隔離解決方案,后者還可包括相關(guān)保護(hù)功能,從而使其可以在汽車和工業(yè)應(yīng)用中使用,而無(wú)需額外的保護(hù)器件,例如抑制二極管。
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