總線隔離后要如何接地？

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?

前言

為保證總線網(wǎng)絡(luò)的通訊穩(wěn)定性，通訊接口通常會做隔離，隔離的主要目的：

安規(guī)考慮：保護設(shè)備及人身安全，隔開潛在的高壓危險;

提高通信的穩(wěn)定性：消除地電勢差的影響;

提高器件的可靠性：消除地環(huán)路影響;

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。

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(shè)備，在復(fù)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(shè)備狀態(tài)下，ESD的作用機理進行分析，并提出相應(yīng)的改善措施。

1、總線側(cè)懸空

此狀態(tài)下，設(shè)備控制側(cè)有接入保護地(PE)，總線側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接，如下圖1。

接下來進行分析：

假設(shè)控制側(cè)均做了足夠的保護措施，當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時，能量通過控制側(cè)保護器泄放至PE，對隔離通信接口基本無影響，如下面圖2。

當(dāng)總線接口受到靜電放電時，由于總線側(cè)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(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞，如下面圖3。

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。

2、設(shè)備控制測懸空

此狀態(tài)下，設(shè)備控制側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接，總線側(cè)有接入保護地(PE)，如下圖4。

接下來進行分析：

當(dāng)總線側(cè)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(cè)器件泄放至PE，但若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力，總線接口則可能損壞，如下面圖5。

當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時，由于控制側(cè)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(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞，如下面圖6。

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(shè)計時，增加Cp、Rp以及TVS，提高隔離接口的ESD抗擾能力。

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(yīng)遠大于Ciso，建議取100pF~1000pF之間。

TVS管的作用：對于總線側(cè)的靜電，靜電能量會通過防護器件泄放，注意：其導(dǎo)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。

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。

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(yīng)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(dāng)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(fù)二極管，參數(shù)表如下。

表1 推薦參數(shù)表

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(shè)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?？蓸O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。

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：

1、電容：從EMS(電磁抗擾度)角度說，這個電容是在假設(shè)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。

2、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(dāng)然1~2M這個數(shù)值是根據(jù)ESD測試標(biāo)準(zhǔn)選擇的，因為IEC61000里面規(guī)定最高的重復(fù)次數(shù)只有10次/秒，如果你搞個1000次/秒的非標(biāo)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。