-浪涌保护请确定不再适合ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器的5个方案

引言

在工业、汽车和仪表应用中,操作不当、电噪声引起的工作环境,甚至闪电引起的大瞬态电压,都会形成巨大的压力,造成通信端口和基本电子设备的损坏。因此,ADI推出了信号和电源隔离ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器,可以承受如此多的瞬态电压,并保护敏感的电子设备。

根据IEC标准和暂态电压大小,暂态电压可分为静电放电(ESD)、电快速暂态脉冲组(EFT)和浪涌。通过ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器提供片上集成保护,4级IEC 61000-4-2 ESD保护,IEC 61000-4-4 EFT耐受和4级交叉IEC 61000-4-5浪涌保护

如果跨门浪涌通过iCoupler隔离栅吸收,则通过总线侧接地返回的浪涌将在收发器上消耗大量电力,除非发送这些浪涌。本文档介绍了ADM3055E/ADM3057E收发器CAN FD端口上的IEC 61000-4-5电涌保护解决方案。所需的浪涌保护级别、常用模式范围要求和可用PCB区域决定了设计选项的特性。

本文档中提到的组件测试使用ADM3055E/ADM3057E执行,其他设备(ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E)共享收发器芯片。

概述

CAN FD标准

灵活数据速率的控制器局域网(CAN FD)是具有内置故障排除功能的分布式通信标准,详细说明了基于ISO-118981-2:2016开放系统互连(OSI)模型的物理和数据链路层要求。CAN FD最初是为汽车应用开发的,其通信机制具有一些独特的优点,因此广泛应用于工业和仪表领域。

ADM3055E/ADM3057E隔离信号和电源收发器的扩展公用模式范围为25V。共同模式范围超过了iso 118982:2016的要求,因此即使网络节点之间存在巨大的接地不平衡,也能提供可靠的通信。在全速模式下,这种隔离型收发器也大大超过了ISO 11898-2:2016的计时要求。低循环延迟,设计师可以将每个阶段的大部分时间用于设置时间。扩展的通用模型范围和计时规范支持工业应用程序,实现了更可靠的远程通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器

在现场安装中,直接接触、电线损坏、感应开关、电源波动、电弧、甚至附近闪电都会对网络造成损害。设计师不仅要确保设备在理想条件下运行,而且要在恶劣的实际环境下稳定运行。为了使这些设计能够在恶劣的电气环境中运行,政府机构和管理机构实施了EMC法规。设计符合这些规定的产品使最终用户确信,即使在恶劣的电磁环境下,他们也能正常工作。

隔离信号和电源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器是CAN FD物理层收发器。该设备使用ADI的iCoupler技术,将三通道隔离器、CAN FD收发器和ADI的isoPower隔离DC/DC转换器集成到单表附着的小型集成电路(SOIC_IC)封装中

EFT和ESD瞬变具有相似的能源水平,ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保护是通过片上保护结构实现的。浪涌波形的能量水平要高得多,浪涌瞬态电压可以应用于隔离栅或收发器裸片。集成iCoupler隔离栅格技术可进一步保护栅间浪涌瞬变。综合保护级别见表1。在本文中,为了保护收发器不受高水平的浪涌的影响,需要外部保护。

表1ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保护级别

EMC规格

保护级别

IEC 61000-4-2 ESD

接触放电

8kV,4级

空气放电

15kV,4级

IEC 61000-4-4 EFT

2kV,4级

十字门IEC 61000-4-5电涌

6kV、4级、VIOSM增强功能

浪涌耐受测试

电涌瞬变通常是由开关操作引起的超压或闪电引起的。开关瞬变的原因可能是电力系统切换、配电系统的负荷变化或各种系统故障(例如安装时接地系统和短路及电弧故障)。闪电瞬变的原因可能是附近的闪电向电路注入了高电流和电压。IEC 61000-4-5 4-5定义了波形、测试方法和测试水平,用于评估易受这种浪涌现象影响的电子电气设备的耐受性。

图1显示了1.2 s/50 s浪涌瞬态波形。标准波形由波形发生器生成,用于表征开路和短路电流事件。浪涌瞬变被认为是EMC最严重的瞬变现象,其能量水平比ESD或EFT脉冲的能量高3 ~ 4倍。因此,由于高能量,通常需要外部保护装置来提高浪涌耐受水平。

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图1 IEC 61000-4-5浪涌1.2 s/50 s波形

图2显示了用于在本应用说明中进行电涌测试的CAN端口的组合网络。电阻并联总和为40。对于半双工装置,电阻为80。在浪涌测试期间,还包括高速CAN总线的终端网络。

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图2用于CAN FD收发器的浪涌耦合网络

在浪涌测试期间,将10个正脉冲和10个负脉冲应用于数据端口。每个脉冲的最大间隔为10秒。测试过程中,设备在三种条件下设置:不能通电、正常工作和待机。在应用浪涌脉冲应力之前和之后检查CANH和CANL销的泄漏,并在测试之前、期间和之后监视开关信号和ICC电流。为了确保IEC 61000-4-5标准中所述的性能判定B,进行浪涌测试。判定B可以暂时丧失功能或暂时降低性能,但必须在没有操作员干预的情况下进行自我修复。

基于CAN FD的电涌暂态保护解决方案

EMC的临时事件会随着时间的推移而变化。必须仔细设计和确定特性,了解受保护大象设备的输入/输出级别的动态性能,并使用保护组件确保电路符合EMC标准。零件数据手册通常只包含直流数据。动态拆解和I/V特性可能与DC值有很大差异,因此对这些数据没有太大价值。

本文介绍了五种功能齐全的不同书目解决方案。每个解决方案都为ADI的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器提供了不同的成本/保护级别,并使用多种外部电路保护组件增强了电涌保护。使用的两个外部电路保护组件包括瞬态电压抑制器(SM712-02HTG、CDNBS08-T24C和TCLAMP1202P)和晶闸管浪涌保护器(TISP7038L1和TISP4P035L1N)。

TVS保护装置选项

第一种解决方案使用不同的临时电压抑制器(TVS)阵列。图3显示了由两个双向TVS二极管组成的典型TVS阵列。表2显示了防止电涌瞬变的电压等级、共模电压和封装PCB大小的详细信息。

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图3TVS保护方案

TVS是硅基设备。正常运行条件下,TVS具有较高的接地阻抗。理想情况下,它是开放的。保护方法是将暂时发生的超压固定到电压限制。这是通过PN结的低阻抗雪崩实现的。当产生大于TVS的制动下电压的瞬态电压时,TVS将瞬态卡箍放置在小于保护装置的制动下电压的预定水平上。瞬变立即受到钳制(1 ns),瞬变电流从保护装置转移到地面。

典型双向TVS的I/V特性如图4所示。TVS中的VRWM必须与CAN FD端口的通用模式电压相匹配。确认屈服电压VBR在保护销的正常工作范围之外也很重要。IPP的RDYN和VCLAMP较低,通常将大部分浪涌电流归类为地面,并将电压钳固定在针脚的故障电压以下。

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图4典型的双向TVS I/V特性

表2TVS保护选项

设备名称

VRWM(V)

单位数1

大小面积2(mm2)

高度2(毫米)

IEC 61000-4-5书目

电压(kV)

等级

SM712-02HTG

12/-7

1

8.23

1.12

1号

2

CDNBS08-T24C

24

1

31.68

1.75

1号

2

TCLAMP1202P

12

2

8.82

0.60

四点钟

4

1 CANH/CANL端口对所需的保护设备数。

2值来自设备数据手册。

TISP保护装置选项

另一种类型的电涌保护器是快速恢复设备,如完全集成的电涌保护器(TISP)。图5显示了被研究为外部浪涌保护装置的两个Bourns TISP。这些部件提供了其他选项,这些选项具有不同的通用模式电压范围和不同的成本/电涌性能级别,如表3所示。

image.png

图5 TISP保护方案

表3 TISP保护选项

设备名称

VRWM(V)

单位数1

大小面积2

(mm2)

高度2(毫米)

IEC 61000-4-5书目

电压(kV)

等级

TISP7038L1

28

1

32.63

1.75

1号

2

TISP4P035L1N

24

2

18.72

1.35

两点钟

3

1 CANH/CANL端口对所需的保护设备数。

2值来自设备数据手册。

TISP的非线性伏安特性通过传输生成的电流来限制超压。作为晶闸管,TISP具有不连续的伏安特性,这是由于高压区域和低压区域之间的转换而产生的。图6显示了设备的伏安特性。在TISP装置转换到低压状态之前,使用低阻抗接地路径来分散瞬态能量,雪崩穿透区域导致钳形运动。

image.png

图6TISP开关特性和电压限制波形

在限制超压的过程中,保护电路暂时暴露在高压下,在转换到低压保护开启状态之前,TISP装置处于穿透区域。传输电流下降到阈值以下时,TISP设备会自动重置,恢复正常系统操作。

对于这种装置的选择,需要考虑几点。首先,TISP的降伏电压必须高于端口的共模电压。此外,TISP具有更高的功率密度效率,通常提供更高的IPP。但是,脉冲上升端子的电压过冲可能非常高,测试的端口可能受损,因此通常会限制浪涌保护级别。但是,在IEC ESD测试期间,TISP的低保持电压可能会导致闩锁问题。此处列出的TISP解决方案已根据IEC 61000-4-2 ESD进行了测试,可以解决此问题。

结论

为CAN FD网络设计符合EMC标准的解决方案时,最大的问题是使外部保护元素的动态性能与CAN FD收发器I/o结构的动态性能相匹配。本文档介绍了针对ADM3055E/ADM3057E隔离信号和电源CAN FD收发器的五种电涌保护解决方案。该解决方案为设计者提供了多种选择,可根据保护级别、通用模式范围和成本要求进行选择。表4总结了这些保护设备选项。

这些设计工具不能取代需要的系统级严格评估和专业资格,但可以在设计初期减少EMC问题带来的风险,从而防止已知缺陷并缩短总体设计时间。

表4各种系统要求和IEC 61000-4-5书目水平的书目保护解决方案

设备名称

VRWM(V)

单位数1

大小面积2

(mm2)

高度2(毫米)

IEC 61000-4-5书目

电压(kV)

等级

SM712-02HTG

12/-7

1

8.23

1.12

1号

2

CDNBS08-T24C

24

1

31.68

1.75

1号

2

TISP7038L1

28

1

32.63

1.75

1号

2

TISP4P035L1N

24

2

18.72

1.35

两点钟

3

TCLAMP1202P

12

2

8.82

0.60

四点钟

4

1 CANH/CANL端口对所需的保护设备数。

2值来自设备数据手册。

-浪涌保护请确定不再适合ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器的5个方案

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