CAN總線如何防雷？

CAN-bus起源于汽車總線，目前被廣泛應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此必要的總線防護(hù)是主板及設(shè)備安全的重要保障。今天這里跟說一說CAN總線防雷防護(hù)設(shè)計(jì)。

從廣義上講防雷包含兩個(gè)概念，一是防雷擊二是防浪涌。雷擊是雷雨云中電荷瞬間釋放的現(xiàn)象，它能在周圍引起高能、瞬變的電場(chǎng)及磁場(chǎng)。浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓，它是指電路中瞬間出現(xiàn)超過正常工作電壓、電流的現(xiàn)象，如圖1，雷擊又可分為直擊雷、非直擊雷，直擊雷是雷電直接作用到物體上，非直擊雷則是通過電磁場(chǎng)感生出電動(dòng)勢(shì)、電流作用到物體上 ，兩者都能產(chǎn)生浪涌電壓、浪涌電流。

圖1 電壓浪涌

CAN總線物理層傳輸介質(zhì)一般為銅制雙絞線，容易受到電磁場(chǎng)的干擾。CAN收發(fā)器屬于弱電元器件，對(duì)電壓電流的沖擊毫無(wú)抵抗力，因此復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)CAN總線的防雷設(shè)計(jì)十分必要。CAN總線防雷要從兩方面入手，一是CAN收發(fā)器處，即接口防護(hù)。二是物理介質(zhì)處，即傳導(dǎo)防護(hù)。防護(hù)的思路主要是屏蔽干擾、提供泄放通道、隔離保護(hù)。

一、接口防護(hù)

CAN的接口防護(hù)一般是在收發(fā)器外加隔離保護(hù)器件，如光耦、磁耦等。為接口設(shè)計(jì)方便，我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊。相比于單個(gè)的收發(fā)器芯片，模塊化的產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。圖2是超小體積、隔離型CAN收發(fā)模塊，這種模塊可以掛載到CAN總線上，擁有高達(dá)2500VDC隔離耐壓值。

圖2 隔離型CAN收發(fā)模塊及應(yīng)用電路

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隔離型模塊在容易遭受大能量雷擊的場(chǎng)合工作時(shí)，仍需要加更高等級(jí)的防護(hù)電路，保護(hù)模塊不被損壞以及總線的可靠通信。常用的器件有GDT、TVS以及共模電感。如圖3所示，GDT被放置于接口最前端，提供第一級(jí)的雷擊浪涌防護(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)。后端的TVS提供第二級(jí)浪涌防護(hù)，具體規(guī)格可根據(jù)需求選擇。

圖3 高防護(hù)CAN接口電路

上述推薦的接口電路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問題。有沒有更簡(jiǎn)潔的防護(hù)設(shè)計(jì)呢?可選擇引入專業(yè)的浪涌抑制器，這種小體積模塊采用灌封材料，具備高防護(hù)等級(jí)要求。

以SP00S12模塊為例，它可以滿足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等級(jí)要求，可用于各種信號(hào)傳輸系統(tǒng)，抑制雷擊、浪涌、過壓等有害信號(hào)，對(duì)設(shè)備信號(hào)端口進(jìn)行保護(hù)，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護(hù)。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(圖4)，在輸出端測(cè)試壓降已被降低至17.1V(圖5)。

圖4 輸入端電壓波形4KV

圖5 輸出端波形電壓17.1V

圖6是一個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)，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。

圖6 浪涌抑制器的應(yīng)用

除此之外，我們還有更好的選擇，如圖7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。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7 極簡(jiǎn)隔離方案

傳導(dǎo)防護(hù)

傳導(dǎo)防護(hù)主要是在傳輸線上進(jìn)行的。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)一般為雙絞線，它主要的作用是抗低共模干擾，但是在面對(duì)浪涌、雷擊等情況時(shí)不僅沒有防護(hù)作用，反而易造成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的損壞。因此，具備室外環(huán)境、長(zhǎng)傳輸距離、多節(jié)點(diǎn)設(shè)備特點(diǎn)的總線一般都要加隔離防護(hù)功能的網(wǎng)橋、中繼器，如圖8。當(dāng)用戶的CAN總線受到強(qiáng)干擾導(dǎo)致死機(jī)或者損壞，接上該系列產(chǎn)品后，可以隔離干擾保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行。優(yōu)秀的網(wǎng)橋及中繼器具有2500VDC、±8KV靜電等級(jí)的防護(hù)能力。

圖8 網(wǎng)橋防護(hù)方案

有沒有方法能徹底解決雷擊造成的隱患呢?答案是肯定的，只要數(shù)據(jù)的傳輸不依賴電信號(hào)就能完全隔離掉雷擊的危害。我們可以把CAN總線室外的部分或者說容易受到干擾的部分使用光信號(hào)傳輸，這種方法目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速鐵路、地鐵、煤礦、醫(yī)療、航空航天、樓宇安防、電梯控制等場(chǎng)合。

圖9 CAN轉(zhuǎn)光纖防護(hù)方案