CAN總線如何防雷？

CAN-bus起源于汽車總線，目前被廣泛應用于環(huán)境復雜的工業(yè)現場，因此必要的總線防護是主板及設備安全的重要保障。今天這里跟說一說CAN總線防雷防護設計。

從廣義上講防雷包含兩個概念，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象，它能在周圍引起高能、瞬變的電場及磁場。浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓，它是指電路中瞬間出現超過正常工作電壓、電流的現象，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感生出電動勢、電流作用到物體上 ，兩者都能產生浪涌電壓、浪涌電流。

圖1 電壓浪涌

CAN總線物理層傳輸介質一般為銅制雙絞線，容易受到電磁場的干擾。CAN收發(fā)器屬于弱電元器件，對電壓電流的沖擊毫無抵抗力，因此復雜工業(yè)現場CAN總線的防雷設計十分必要。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。二是物理介質處，即傳導防護。防護的思路主要是屏蔽干擾、提供泄放通道、隔離保護。

一、接口防護

CAN的接口防護一般是在收發(fā)器外加隔離保護器件，如光耦、磁耦等。為接口設計方便，我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊。相比于單個的收發(fā)器芯片，模塊化的產品環(huán)境適應性更強。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2500VDC隔離耐壓值。

圖2 隔離型CAN收發(fā)模塊及應用電路

根據經驗，隔離型模塊在容易遭受大能量雷擊的場合工作時，仍需要加更高等級的防護電路，保護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，提供第一級的雷擊浪涌防護。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。后端的TVS提供第二級浪涌防護，具體規(guī)格可根據需求選擇。

圖3 高防護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，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。有沒有更簡潔的防護設計呢?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，具備高防護等級要求。

以SP00S12模塊為例，它可以滿足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等級要求，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，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領域的浪涌防護。以共模浪涌測試為例，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 CAN節(jié)點電路設計，在收發(fā)器與CAN總線間添加 SP00S12，可使 CAN 信號端口輕松滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。

圖6 浪涌抑制器的應用

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化電路設計、節(jié)省PCB空間、降低產品成本。它能夠防護4KV浪涌、15KV靜電的同時還具備極佳的EMC特性。

圖7 極簡隔離方案

傳導防護

傳導防護主要是在傳輸線上進行的。CAN總線的數據傳輸介質一般為雙絞線，它主要的作用是抗低共模干擾，但是在面對浪涌、雷擊等情況時不僅沒有防護作用，反而易造成節(jié)點設備的損壞。因此，具備室外環(huán)境、長傳輸距離、多節(jié)點設備特點的總線一般都要加隔離防護功能的網橋、中繼器，如圖8。當用戶的CAN總線受到強干擾導致死機或者損壞，接上該系列產品后，可以隔離干擾保護設備正常運行。優(yōu)秀的網橋及中繼器具有2500VDC、±8KV靜電等級的防護能力。

圖8 網橋防護方案

有沒有方法能徹底解決雷擊造成的隱患呢?答案是肯定的，只要數據的傳輸不依賴電信號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傳輸，這種方法目前已經廣泛應用于高速鐵路、地鐵、煤礦、醫(yī)療、航空航天、樓宇安防、電梯控制等場合。

圖9 CAN轉光纖防護方案