CAN與485都是工業(yè)通信中常用的現(xiàn)場總線,做好通信總線的隔離防護是產品可靠、穩(wěn)定的重要前提。如何做好通信總線的隔離防護呢?
一、為什么要隔離?
目前大多數產品對外通訊部分可總結為:MCU+收發(fā)器+外部總線,其中大多數常用的MCU 都集成有CAN或UART鏈路層控制器。從MCU發(fā)出的電平信號一般為5V或3.3V,為達到與總線連接和遠傳的目的,往往需要在MCU與總線間加收發(fā)器,它起到電平轉換的作用。
采用總線通信方式必然涉及到外部通信走線,CAN和458總線往往需要做數百米的布線??偩€越長、經過的環(huán)境越復雜越容易出現(xiàn)通信問題。外部環(huán)境中復雜多變的電磁場會間接抬高總線的電勢,靜電、浪涌、短路等會直接作用到通信線上。以上情況的出現(xiàn),輕則導致收發(fā)器損壞,重則造成主板故障。因此,與總線連接前加入隔離是十分必要的。
二、如何隔離?
隔離的方法及原理與I/O隔離相似,不同的是通信隔離需要考慮到隔離器件對通信信號的影響,不當的隔離往往導致通信中斷或通信不暢。對收發(fā)器來說,隔離可以從兩方面入手,通信隔離和供電隔離。
目前主流的通信隔離方案為光耦、容耦及礠耦,隔離特點上光耦采用光的形式進行信號傳遞,容耦通過電場的形式進行傳輸,磁偶采用磁場形式進行傳輸。供電隔離采用微功率DC-DC隔離電源,使輸入與輸出之間沒有電氣連接,避免供電端對收發(fā)器的影響。
具體來講,隔離可以從兩個渠道實現(xiàn):采用分立元器件搭建或采用集成模塊。采用分立模塊搭建往往涉及到很多器件的選型及采購,實現(xiàn)起來較為麻煩且難保證該部分在產品上的一致性。基于此,集供電隔離、通信隔離一體的隔離收發(fā)器模塊應運而生,緊湊的體積使他在應用便捷的同時占用更少的PCB面積。
三、增加防護等級
隔離收發(fā)器能為后級主板提供絕對的隔離防護,但同時自身也需要防護,因為隔離收發(fā)器被損壞通訊也將中斷。以CTM8251K(A)T為例,它的浪涌等級可以達到IEC/EN 61000-4-5 共模/差模±2kV,足以應對絕大部分工業(yè)場合。從可靠性上考慮,即使在惡劣環(huán)境中選用隔離收發(fā)器,我們仍建議您在外圍添加保護電路。
其中GDT置于最前端,提供一級防護,當雷擊、浪涌產生時,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。實際取值可根據防護等級及器件成本綜合考慮進行調整,R3 與 R4 建議選用 PTC,D1~D6 建議選用快恢復二極管。
上圖所示的接口電路雖然能夠提供有效的防護,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,若器件參數選擇不合適易造成EMC問題。有沒有更好的辦法呢?致遠電子已經為小伙伴們設計了專業(yè)的信號浪涌抑制器SP00S12,該模塊直接將總線浪涌等級提高到IEC61000-4-5±4KV。
SP00S12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,尤為適合 CAN、RS-485 等通信領域的浪涌防護。SP00S12損耗小、反應快,通流容量:≤ 500A(8/20μS 模擬雷電波形),滿足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等級要求。
四、ZLG致遠電子隔離模塊
ZLG致遠電子推出的模塊有隔離電源模塊、隔離收發(fā)器模塊、信號調理模塊及協(xié)議轉換模塊。其中電源模塊為微功率隔離/非隔離DC-DC模塊;隔離收發(fā)器模塊包括CAN、465、232模塊,CAN與485更是全新上線表貼式小體積型號;總線保護器就是上文提到的SP00S12。多協(xié)議模塊是專為MCU外設資源不足時提供的,包括UART/SPI轉CAN、SPI轉485等等。
ZLG致遠電子隔離模塊目前已通過國際權威認證,包括美國UL認證、歐盟CE認證以及CB認證。測試項目主要分為兩部分,EMC及安規(guī)測試。EMC測試主要包括輻射(EMI)與抗擾(EMS),輻射測試項目具體如下所示:
• 多媒體設備的電磁兼容性發(fā)射要求(EN 55032-2015);
• 電磁兼容性(EMC).第3部分:極限值.第2節(jié):諧波電流輻射的極限值(EN 61000-3-2:2014);
• 電磁兼容性(EMC).第3-3部分:限值.每相額定電流小于等于16 A、不受條件限制的連接設備用公共低壓供電系統(tǒng)電壓變化、電壓波動和閃爍的限制(IEC 61000-3-3-2013)。