适用于ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器的浪涌保护解决方案

具有灵活数据速率的控制器局域网（CAN FD）是一种2线差分串行通信协议，使微控制器和其他设备网络无需专用主机控制器即可进行通信。网络中的每个节点都需要一个CAN FD收发器，以便在微控制器使用的本地单端信号和鲁棒的板外通信所需的差分信号之间进行转换。

转换功能要求将CAN FD收发器物理插入敏感电子设备和外部世界之间。在工业和仪器仪表应用中，由操作不当、电气噪声工作环境甚至雷击引起的大瞬态电压可能是导致通信端口和底层电子设备损坏的巨大应力。信号和电源隔离ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器是一款能够承受许多瞬态电压并保护敏感电子器件的器件。

根据适用的IEC标准，瞬态电压分为静电放电（ESD）、电快速瞬变（EFT）和浪涌，并根据瞬态的大小按级别进行评级。4 级 IEC 61000-4-2 ESD 保护、IEC 61000-4-4 EFT 抗扰度和 4+ 级交叉屏障 IEC 61000-4-5 浪涌保护通过 ADM3055E/ADM3057E 隔离信号和功率 CAN FD 收发器的片内集成保护实现。

虽然跨势垒浪涌被i耦合器隔离栅吸收，但通过总线侧接地返回的浪涌会消耗收发器上的大量功率，除非转移。本应用笔记讨论了ADM61000E/ADM4E收发器CAN FD端口上的IEC 5-3055-3057浪涌保护特性解决方案。根据所需的浪涌保护级别、共模范围要求和可用 PCB 面积对设计选项进行了表征。

本应用笔记的元件测试使用ADM3055E/ADM3057E进行。ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E等其他器件使用相同的收发器芯片，本应用笔记中介绍的信息通常也适用于这些器件。

概述

罐 FD 标准

具有灵活数据速率的控制器局域网 （CAN FD） 是具有内置故障处理功能的分布式通信标准，在 ISO-118981-2：2016 中为开放系统互连 （OSI） 模型的物理和数据链路层指定。CAN FD虽然最初是为汽车应用而开发的，但由于CAN FD使用的通信机制的固有优势，它已被广泛用于工业和仪器仪表应用。

ADM3055E/ADM3057E隔离信号和电源收发器具有±25V的扩展共模范围。共模范围超过ISO 11898-2：2016的要求，并提供 即使网络节点之间存在较大的接地偏移，也能实现可靠的通信。隔离式收发器在全速模式下也大大超过了ISO 11898-2：2016的定时要求。低环路延迟使设计人员能够将每个位的更大部分用于建立时间。扩展的共模范围和时序规格可为工业应用提供更远距离的更可靠通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收发器

在现场安装中，直接接触、电线损坏、电感开关、电源波动、电弧，甚至附近的雷击，都有可能对网络造成损坏。设计师 必须确保设备不仅在理想条件下运行，而且在恶劣的现实环境中可靠运行。为了确保这些设计能够在电气恶劣的环境中生存，各种政府机构和监管机构都实施了EMC法规。遵守这些法规可确保最终用户在这些恶劣的电磁环境中按预期运行设计。

隔离信号和电源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器是一款CAN FD物理层收发器。该器件采用ADI公司i耦合器技术，将 3通道隔离器、CAN FD收发器和ADI公司ISOPower隔离DC-DC转换器集成单个表面贴装小外形集成电路（SOIC_IC）封装。®

EFT和ESD瞬变具有相似的能量电平，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT保护通过片内保护结构实现。浪涌波形具有更高的能量电平，浪涌瞬态电压可以施加在隔离栅或收发器芯片上。集成的i耦合器隔离栅技术为跨越隔离栅发生的浪涌瞬变提供增强保护。表 1 中提供了集成保护级别。保护收发器免受高浪涌的影响需要外部保护器件，本应用笔记将对此进行讨论。

 

电磁兼容规范	保护级别
IEC 61000-4-2 静电放电
联系	±8 kV，4 级
空气	±15 kV，4 级
IEC 61000-4-4 电子转帐	±2 kV，4 级
交叉屏障IEC 61000-4-5浪涌	±6 kV， 4+电平， V国际化学品管理办公室增强

 

浪涌抗扰度测试

浪涌瞬变是由开关或雷电瞬变的过电压引起的。开关瞬变可能是由电力系统开关、配电系统中的负载变化或各种系统故障引起的，例如安装的接地系统的短路和电弧故障。雷电瞬变可能是由于附近的雷击注入电路的高电流和电压造成的。IEC 61000-4-5定义了波形，测试方法和测试级别，用于评估电气和电子设备在受到这些浪涌时的抗扰度。

图1显示了1.2 μs/50 μs浪涌瞬态波形。波形被指定为波形发生器的开路电压和短路电流的输出。浪涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变，因为它的能量水平比ESD或EFT脉冲中的能量大三到四个数量级。因此，由于其高能量，通常需要外部保护装置来提高高浪涌抗扰度。

图1.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2 μs/50 μs 波形

图2显示了本应用笔记中用于浪涌测试的CAN端口的耦合网络。电阻的总平行总和为 40 Ω。对于半双工器件，每个电阻为80 Ω。请注意，在浪涌测试期间还包括高速CAN总线的终端网络。

图2.用于CAN FD收发器的浪涌耦合网络

在浪涌测试期间，向数据端口施加10个正脉冲和10个负脉冲，每个脉冲之间的最大时间间隔为<>秒。设备在三种条件下设置，即无源模式、正常工作模式和测试期间的待机模式。在施加浪涌脉冲应力之前和之后检查 CANH 和 CANL 引脚上的泄漏，同时开关信号和 I抄送在测试之前、期间和之后，还要监测电流。进行浪涌测试以确保IEC 61000-4-5标准描述的性能标准B。标准B允许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恢复。

用于 CAN FD 的浪涌瞬态保护解决方案

EMC 瞬态事件因时间而异。为了确保电路符合EMC标准，需要仔细设计、表征并了解受保护器件和保护元件的输入/输出级的动态性能。元件数据手册通常只包含直流数据，鉴于动态击穿和I/V特性可能与直流值有很大不同，因此其价值有限。

本应用说明介绍了五种不同的完全表征的浪涌解决方案。每种解决方案都为ADI公司的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器提供不同的成本/保护级别，这些收发器使用精选的外部电路保护元件提供增强的浪涌保护。使用的两种类型的外部电路保护元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 保护设备选件

第一种解决方案使用不同的瞬态电压抑制器（TVS）阵列。由两个双向TVS二极管组成的典型TVS阵列如图3所示。表2显示了针对浪涌瞬变、共模电压和封装PCB尺寸保护的电压电平的详细信息。

图3.TVS保障计划

 

设备名称	VRWM（五）	单位数目1	占地面积2（毫米2)	高度2（毫米）	IEC 61000-4-5 浪涌
					电压（千伏）	水平
SM712-02HTG	+12/−7	1	8.23	1.12	±1	2
CDNBS08-T24C	±24	1	31.68	1.75	±1	2
天灯1202P	±12	2	8.82	0.60	±4	4
1CANH/CANL 端口对所需的保护设备数量。 2数值来自器件数据手册。

 

TVS是一种基于硅的设备。在正常工作条件下，TVS对地阻抗高;理想情况下，它是一个开路。保护是通过将过压从瞬态箝位到电压限值来实现的。这是通过PN结的低阻抗雪崩击穿完成的。当产生大于TVS击穿电压的瞬态电压时，TVS将瞬态钳位到小于其所保护设备的击穿电压的预定水平。瞬态瞬态被瞬时箝位（< 1 ns），瞬态电流从受保护器件转移到地。

典型双向TVS的I/V特性如图4所示。VRWM的TVS必须与CAN FD端口的共模电压匹配。确保击穿电压V也很重要BR超出受保护引脚的正常工作范围。较低的R戴恩和 V钳在我聚丙烯通常优选将大多数浪涌电流分流到地，并将电压箝位到引脚的故障电压以下。

图4.典型双向 TVS I/V 特性

TISP 保护器件选项

另一种类型的电涌保护器是回弹设备，例如，全集成电涌保护器（TISP）。本文研究了两个 Bourns TISP，作为图 5 所示的外部浪涌保护器件。这些器件提供了更多选项，具有不同的共模电压范围和成本/浪涌性能水平，如表3所示。

图5.TISP 保护计划

 

设备名称	VRWM（五）	单位数目1	占地面积2（毫米2)	高度2（毫米）	IEC 61000-4-5 浪涌
					电压（千伏）	水平
TISP7038L1	±28	1	32.63	1.75	±1	2
TISP4P035L1N	±24	2	18.72	1.35	±2	3
1CANH/CANL 端口对所需的保护设备数量。 2数值来自器件数据手册。

 

TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限制过电压。作为晶闸管，TISP具有由以下原因引起的不连续电压-电流特性： 在高压和低压区域之间切换动作。图6显示了该器件的电压-电流特性。在TISP器件切换到低电压状态之前，低阻抗接地以分流瞬态能量，由雪崩击穿区域引起箝位动作。

图6.TISP 开关特性和限压波形

在限制过压时，受保护电路在TISP器件处于击穿区域的短时间内暴露在高压下，然后切换到低压保护 在状态。当转移电流降至临界值以下时，TISP器件会自动复位，从而恢复正常的系统操作。

关于此类设备的选择，需要考虑几点。首先，TISP的击穿电压必须高于端口的共模电压。此外，TISP经常 由于其出色的功率密度效率，可提供高 IPP。但是，脉冲上升沿的电压过冲可能相当高，并可能损坏被测端口，这通常是浪涌保护级别的限制因素。然而，TISP的低保持电压可能会在IEC ESD测试期间引起一些闩锁问题。此处列出的TISP解决方案已根据IEC 61000-4-2 ESD进行了测试，以消除此问题。

结论

为CAN FD网络设计EMC兼容解决方案的关键挑战是将外部保护组件的动态性能与CAN FD收发器的输入/输出结构的动态性能相匹配。本应用笔记介绍了ADM3055E/ADM3057E隔离信号和功率CAN FD收发器的五种浪涌保护解决方案，根据保护级别、共模范围和成本要求为设计人员提供了多种选择。表 4 总结了这些保护器件选项。

 

设备名称	VRWM（五）	单位数目1	占地面积2（毫米2)	高度2（毫米）	IEC 61000-4-5 浪涌
					电压（千伏）	水平
SM712-02HTG	+12/−7	1	8.23	1.12	±1	2
CDNBS08-T24C	±24	1	31.68	1.75	±1	2
TISP7038L1	±28	1	32.63	1.75	±1	2
TISP4P035L1N	±24	2	18.72	1.35	±2	3
天灯1202P	±12	2	8.82	0.60	±4	4
1CANH/CANL 端口对所需的保护设备数量。 2数值来自器件数据手册。

 

虽然这些设计工具不能取代系统级所需的尽职调查或资格认证，但它们允许设计人员在设计周期开始时降低由于EMC问题而导致的风险。 避免已知的陷阱，并缩短整体设计时间。

审核编辑：郭婷