【導(dǎo)讀】為保證工業(yè)總線通訊的穩(wěn)定性，工程師通常都在設(shè)計(jì)時(shí)考慮防雷、防浪涌和防過電壓等電路方案，今天就為大家介紹一些有效的總線防浪涌保護(hù)解決方案。
浪涌對電路的影響
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。在工業(yè)通訊現(xiàn)場，雷電過電壓、落雷引發(fā)出的誘導(dǎo)雷浪涌，還有電源系統(tǒng)（特別是帶很重的感性負(fù)載）開關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯(cuò)誤的信號，會(huì)給用戶帶來很大的損失。
表1 幾種瞬態(tài)騷擾的比較
先了解幾種典型的瞬態(tài)騷擾：從表中可知，浪涌的能量最高，過電流最大，因此危害性也是最大。
浪涌的形成有兩個(gè)類型：一個(gè)是共模，一個(gè)差模。雷電或大電流切換時(shí)產(chǎn)生的浪涌一般是共模的；差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過，數(shù)據(jù)線纜和高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的，會(huì)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過這個(gè)耐壓，前端后端都一起燒壞；元器件不會(huì)標(biāo)稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設(shè)計(jì)決定，差模電壓超過電路承受范圍，前端燒壞，后端不會(huì)燒壞。
目前總線浪涌防護(hù)方案有兩種：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。
常規(guī)浪涌防護(hù)方案——分立方案
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(hù)等級均比較低，如CTM1051M隔離CAN收么器的隔離耐壓為2500VDC，裸機(jī)情況下，ESD、浪涌等級均較低，所以有必要增加外圍電路。
防浪涌電路通常分為：隔離法和規(guī)避法。
● 隔離法：采用光耦合器或磁耦合器，將輸入和輸出信號隔離分開，這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。
● 規(guī)避法：主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地，一旦有浪涌出現(xiàn)就可安全轉(zhuǎn)移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件，主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管。
如果將隔離法和規(guī)避法相結(jié)合，就可以更好地保護(hù)系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件，也可以抑制總線上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護(hù)主設(shè)備。兩者相輔相成，能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。以CAN總線為例，下圖是分立元器件形成的外圍保護(hù)電路。
圖1 CAN總線推薦保護(hù)電路
其中GDT置于最前端，提供一級防護(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。參數(shù)表如下。
表2 參數(shù)推薦表
高效浪涌防護(hù)方案——模塊方案
分立元器件方案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。有沒有更簡潔的防護(hù)設(shè)計(jì)呢？答案是肯定的。可選擇引入專業(yè)的信號浪涌抑制器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(shè)備信號端口進(jìn)行保護(hù)。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(shí)極大程度的縮小開發(fā)周期。
圖2 模塊方案
方案對比和浪涌抗擾度測試
前面講到總線浪涌防護(hù)方案有兩種，接下來總結(jié)一下：
● 分立元器件方案：電子器件多、搭建麻煩、復(fù)雜、占用PCB空間、易造成EMC問題；
● 模塊方案：使用方便、節(jié)省PCB空間、簡化電路。
接下來做一下浪涌抗擾度測試，檢驗(yàn)一下浪涌抑制器是否滿足IEC61000-4-5±4KV防護(hù)要求，以共模浪涌測試為例，在SP00S12輸入端加載4KV、1.2/50μs浪涌電壓，在輸出端測試壓降已被降低至17.1V，波形圖如下。
圖3 輸入端電壓波形4KV
圖4 輸出端波形電壓17.1V
由此可見，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。
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，如下圖。此方案將最大限度簡化電路設(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5 一體化隔離方案
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