摘要：CAN與485都是工業(yè)通信中常用的現(xiàn)場總線，各位工程師對于總線隔離方案想必都極為熟悉,，但可能會遇到總線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隔離后該如何接地？
一,、前言
為保證總線網(wǎng)絡的通訊穩(wěn)定性,，通訊接口通常會做隔離，隔離的主要目的：
l 安規(guī)考慮：保護設備及人身安全,，隔開潛在的高壓危險,；
l 提高通信的穩(wěn)定性：消除地電勢差的影響；
l 提高器件的可靠性：消除地環(huán)路影響,；
l 低耦合：提高系統(tǒng)間的兼容性,；
目前實現(xiàn)總線隔離有兩種方案：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。
二,、隔離接地的原理
總線增加隔離固然可以保證總線穩(wěn)定可靠地通信,，但是帶隔離通信接口的設備,，在復雜的環(huán)境或安裝狀態(tài)下,，接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性，了解ESD對接口的影響機理,，才能有針對性地增加保護器件,，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,，對常見的設備狀態(tài)下,，ESD的作用機理進行分析，并提出相應的改善措施,。
1. 總線側懸空
此狀態(tài)下,，設備控制側有接入保護地（PE）,，總線側參考地懸空，與PE無任何連接,，如下圖,。
說明:
接下來進行分析：
l 假設控制側均做了足夠的保護措施，當控制側接口受到靜電放電時,，能量通過控制側保護器泄放至PE,，對隔離通信接口基本無影響，如下面左圖,。
l 當總線接口受到靜電放電時,，由于總線側懸空，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放,，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，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,，則會導致內(nèi)部隔離柵損壞，如下面右圖,。注意：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,。
說明:
說明:
2. 設備控制測懸空
此狀態(tài)下，設備控制側參考地懸空,，與PE無任何連接,，總線側有接入保護地（PE），如下圖,。
說明:
接下來進行分析：
l 當總線側接口受到靜電放電時,，靜電能量通過隔離接口模塊內(nèi)部總線側器件泄放至PE，但若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側器件的ESD抗擾能力,，總線接口則可能損壞,，如下面左圖。
l 當控制側接口受到靜電放電時,，由于控制側懸空,，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放，由于Ciso非常小,，兩端電壓Viso會非常高,，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，則會導致內(nèi)部隔離柵損壞,，如下面右圖,。
說明:
說明:
3. 改善措施
針對上述兩種情況，隔離接口模塊需要得到有效的靜電保護,，建議進行隔離接口設計時,，增加Cp、Rp以及TVS,，提高隔離接口的ESD抗擾能力,。
l 電容Cp的作用：減輕隔離柵的壓力，為靜電能量提供一個低阻抗的路徑,，靜電能量大部分通過此電容泄放,，為達到良好效果，Cp容值應遠大于Ciso,，建議取100pF~1000pF之間,。
l TVS管的作用：對于總線側的靜電，靜電能量會通過防護器件泄放,，注意：其導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,。
說明:
注意：若產(chǎn)品無安規(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,。
三、完善的總線接口保護電路
前面只是對ESD的作用機理進行了分析,，但隨著工業(yè)產(chǎn)品對通信接口的EMC等級要求越來越高,。許多應用要求滿足IEC61000-4-2靜電放電4級,，IEC61000-4-5浪涌抗擾4級要求,。一般的收發(fā)器ESD、浪涌的防護等級均比較低,，如CTM1051M隔離CAN收發(fā)器的隔離耐壓為2500VDC,，裸機情況下,，ESD、浪涌等級均較低,。所以有必要增加外圍電路,，提高通信端口的EMC等級。
以CAN總線為例,，上圖為完善的外圍推薦電路,。其中GDT置于最前端，提供一級防護,，當雷擊,、浪涌產(chǎn)生時，GDT瞬間達到低阻狀態(tài),，為瞬時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),。實際取值可根據(jù)防護等級及器件成本綜合考慮進行調(diào)整,，R3 與 R4 建議選用 PTC，D1~D6 建議選用快恢復二極管,，參數(shù)表如下,。
表1 推薦參數(shù)表
說明:
另外，另一種方案則是采用ZLG的SP00S12浪涌保護模塊,，可用于各種信號傳輸系統(tǒng),，抑制雷擊、浪涌,、過壓等有害信號,，對設備信號端口進行保護。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,，于此同時極大程度的縮小開發(fā)周期,。
說明:
四、阻容回路接地的必要性
前面講述了總線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，很多客戶會提到總線隔離之后為什么需要阻容接地呢,？這里給大家簡單描述一下：
l 電容：從EMS（電磁抗擾度）角度說,，這個電容是在假設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對電路的影響）,，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,，如果有與PE相連的金屬外殼，有這個高頻路徑,，也能夠避免高頻信號輻射出來,。
l 1M電阻：這是對付ESD（靜電放電）測試用的。因為這種用電容連接PE和GND的系統(tǒng)（浮地系統(tǒng)）,，在做ESD測試的時候,，打入被測電路的電荷無處釋放，會逐漸累積,，抬升或降低GND相對PE的電平,，累積到一定程度，超過了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之間就會放電,，幾個納秒間，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,，或者是讓PE與電路之間絕緣最薄弱處所在信號連接的器件損壞。但是有時候又不能直接連接PE和GND,，那么就用一個1~2M的電阻去慢慢釋放這個電荷,，以消除二者間的壓差。當然1~2M這個數(shù)值是根據(jù)ESD測試標準選擇的,，因為IEC61000里面規(guī)定最高的重復次數(shù)只有10次/秒,，如果你搞個1000次/秒的非標ESD放電，那么1~2M的電阻我覺得是不能釋放掉累積的電荷的,。
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