如何進(jìn)行通信總線的隔離？

CAN與485都是工業(yè)通信中常用的現(xiàn)場(chǎng)總線，做好通信總線的隔離防護(hù)是產(chǎn)品可靠、穩(wěn)定的重要前提。如何做好通信總線的隔離防護(hù)呢?

一、為什么要隔離?

目前大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)外通訊部分可總結(jié)為：MCU+收發(fā)器+外部總線，其中大多數(shù)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(hào)一般為5V或3.3V，為達(dá)到與總線連接和遠(yuǎn)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(zhuǎn)換的作用。

圖1 常規(guī)通信

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(shù)百米的布線。總線越長(zhǎng)、經(jīng)過(guò)的環(huán)境越復(fù)雜越容易出現(xiàn)通信問(wèn)題。外部環(huán)境中復(fù)雜多變的電磁場(chǎng)會(huì)間接抬高總線的電勢(shì)，靜電、浪涌、短路等會(huì)直接作用到通信線上。以上情況的出現(xiàn)，輕則導(dǎo)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(duì)通信信號(hào)的影響，不當(dāng)?shù)母綦x往往導(dǎo)致通信中斷或通信不暢。對(duì)收發(fā)器來(lái)說(shuō)，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(diǎn)上光耦采用光的形式進(jìn)行信號(hào)傳遞，容耦通過(guò)電場(chǎng)的形式進(jìn)行傳輸，磁偶采用磁場(chǎng)形式進(jìn)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(méi)有電氣連接，避免供電端對(duì)收發(fā)器的影響。

圖2 電源與通信雙隔離

具體來(lái)講，隔離可以從兩個(gè)渠道實(shí)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(gòu)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為麻煩且難保證該部分在產(chǎn)品上的一致性?；诖?，集供電隔離、通信隔離一體的隔離收發(fā)器模塊應(yīng)運(yùn)而生，緊湊的體積使他在應(yīng)用便捷的同時(shí)占用更少的PCB面積。

圖3 高度集成的隔離收發(fā)器

三、增加防護(hù)等級(jí)

隔離收發(fā)器能為后級(jí)主板提供絕對(duì)的隔離防護(hù)，但同時(shí)自身也需要防護(hù)，因?yàn)楦綦x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(jí)可以達(dá)到IEC/EN 61000-4-5 共模/差模±2kV，足以應(yīng)對(duì)絕大部分工業(yè)場(chǎng)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?nèi)越ㄗh您在外圍添加保護(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。

圖4 增加防護(hù)等級(jí)

圖5 選用器件參數(shù)(僅供參考)

上圖所示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(wèn)題。有沒(méi)有更好的辦法呢?致遠(yuǎn)電子已經(jīng)為小伙伴們?cè)O(shè)計(jì)了專業(yè)的信號(hào)浪涌抑制器SP00S12，該模塊直接將總線浪涌等級(jí)提高到IEC61000-4-5±4KV。

圖6 浪涌抑制實(shí)測(cè)

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)，尤為適合 CAN、RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護(hù)。SP00S12損耗小、反應(yīng)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(jí)要求。

圖7 SP00S12應(yīng)用

四、ZLG致遠(yuǎn)電子隔離模塊

ZLG致遠(yuǎn)電子推出的模塊有隔離電源模塊、隔離收發(fā)器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊及協(xié)議轉(zhuǎn)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(hào);總線保護(hù)器就是上文提到的SP00S12。多協(xié)議模塊是專為MCU外設(shè)資源不足時(shí)提供的，包括UART/SPI轉(zhuǎn)CAN、SPI轉(zhuǎn)485等等。

圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

ZLG致遠(yuǎn)電子隔離模塊目前已通過(guò)國(guó)際權(quán)威認(rèn)證，包括美國(guó)UL認(rèn)證、歐盟CE認(rèn)證以及CB認(rèn)證。測(cè)試項(xiàng)目主要分為兩部分，EMC及安規(guī)測(cè)試。EMC測(cè)試主要包括輻射(EMI)與抗擾(EMS)，輻射測(cè)試項(xiàng)目具體如下所示：

●多媒體設(shè)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(shè)備用公共低壓供電系統(tǒng)電壓變化、電壓波動(dòng)和閃爍的限制(IEC 61000-3-3-2013)。