總線浪涌防護(hù)方案詳解

一、浪涌對(duì)電路的影響

浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓，它是指電路中瞬間出現(xiàn)超過(guò)正常工作電壓、電流的現(xiàn)象。在工業(yè)通訊現(xiàn)場(chǎng)，雷電過(guò)電壓、落雷引發(fā)出的誘導(dǎo)雷浪涌，還有電源系統(tǒng)（特別是帶很重的感性負(fù)載）開關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)，會(huì)給用戶帶來(lái)很大的損失。

表1  幾種瞬態(tài)騷擾的比較

先了解幾種典型的瞬態(tài)騷擾：從表中可知，浪涌的能量最高，過(guò)電流最大，因此危害性也是最大。

浪涌的形成有兩個(gè)類型：一個(gè)是共模，一個(gè)差模。雷電或大電流切換時(shí)產(chǎn)生的浪涌一般是共模的；差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過(guò)，數(shù)據(jù)線纜和高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的，會(huì)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過(guò)這個(gè)耐壓，前端后端都一起燒壞；元器件不會(huì)標(biāo)稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設(shè)計(jì)決定，差模電壓超過(guò)電路承受范圍，前端燒壞，后端不會(huì)燒壞。

目前總線浪涌防護(hù)方案有兩種：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。

二、常規(guī)浪涌防護(hù)方案-分立方案

許多應(yīng)用要求滿足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收么器的隔離耐壓為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。

防浪涌電路通常分為：隔離法和規(guī)避法

l隔離法：采用光耦合器或磁耦合器，將輸入和輸出信號(hào)隔離分開，這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。

l規(guī)避法：主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地，一旦有浪涌出現(xiàn)就可安全轉(zhuǎn)移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件，主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管。

如果將隔離法和規(guī)避法相結(jié)合，就可以更好地保護(hù)系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件，也可以抑制總線上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護(hù)主設(shè)備。兩者相輔相成，能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。以CAN總線為例，下圖是分立元器件形成的外圍保護(hù)電路。

圖1  CAN總線推薦保護(hù)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2  參數(shù)推薦表

三、高效浪涌防護(hù)方案-模塊方案

分立元器件方案雖然能夠提供有效的防護(hù)，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數(shù)選擇不合適易造成EMC問(wèn)題。有沒(méi)有更簡(jiǎn)潔的防護(hù)設(shè)計(jì)呢？答案是肯定的。可選擇引入專業(yè)的信號(hào)浪涌抑制器SP00S12，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。可極大程度的提升產(chǎn)品的集成度，于此同時(shí)極大程度的縮小開發(fā)周期。

圖2  模塊方案

四、方案對(duì)比和浪涌抗擾度測(cè)試

前面講到總線浪涌防護(hù)方案有兩種，接下來(lái)總結(jié)一下：

l分立元器件方案：電子器件多、搭建麻煩、復(fù)雜、占用PCB空間、易造成EMC問(wèn)題；

l模塊方案：使用方便、節(jié)省PCB空間、簡(jiǎn)化電路；

接下來(lái)做一下浪涌抗擾度測(cè)試，檢驗(yàn)一下浪涌抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護(hù)要求，以共模浪涌測(cè)試為例，在SP00S12輸入端加載4KV、1.2/50μs 浪涌電壓，在輸出端測(cè)試壓降已被降低至17.1V，波形圖如下。

圖3  輸入端電壓波形4KV

圖4  輸出端波形電壓17.1V

由此可見(jiàn)，在收發(fā)器與CAN總線間添加 SP00S12，可使 CAN 信號(hào)端口輕松滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級(jí)要求。

采用一體化的高浪涌防護(hù)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，如下圖。此方案將最大限度簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、節(jié)省PCB空間、降低產(chǎn)品成本。它能夠防護(hù)4KV浪涌、15KV靜電的同時(shí)還具備極佳的EMC特性。

圖5  一體化隔離方案