如何增加Cp、Rp以及TVS，提高隔离接口的ESD抗扰能力？

ZLG致远电子 2018-06-20 7007

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隔离模块应用于各类复杂的工业环境中，以提升总线的抗干扰能力，但设备接口可能会采用端子与外部连接，可能会在安装、维修过程中有静电等能量输入，从而导致隔离模块损坏。那么该如何避免这样的问题呢？本文为你揭秘。

带隔离通信接口的设备，在不同的使用、安装状态下，接口会表现出完全不同的ESD特性，了解设备在不同的使用状态下，ESD对接口的影响的机理，才能有针对性地增加保护器件，提升隔离接口的ESD能力。下面以带有隔离CAN或RS-485通信接口为例，对常见的设备状态下，ESD的作用机理进行分析，并提出相应的改善措施。

一、设备控制侧有接保护地，总线侧悬空

如图1，此状态下，设备控制侧有接入保护地（PE），总线侧参考地悬空，与PE无任何连接。

图 1

此状态出现的可能场景：

产品开发测试过程中；

单个产品进行ESD测试时；

设备组网时，控制侧已接入保护地，正在进行总线接入或断开操作时；

设备组网后，总线侧未进行接地处理的。

静电分析：

假设控制侧均做了足够的保护措施，当控制侧接口受到静电放电时，能量通过控制侧保护器泄放至PE，对隔离通信接口基本无影响，如图 2。

图 2

当总线接口受到静电放电时，由于总线侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，仅有几皮法至十几皮法，Ciso被迅速充电，两端电压Viso会非常高，几乎等同于放电电压，如图 3。电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏。

图 3

对于一般的隔离接口模块，隔离栅可承受的静电放电电压只有4kV，对于更高等级的6kV或8kV的静电来说是非常脆弱的，极易出现损坏情况。

改善方法：

为了减轻隔离栅的压力，可以在隔离栅两边增加一个电容Cp，为静电能量提供一个低阻抗的路径。如图 4，总线侧的静电能量大部分通过此电容泄放至PE，并可以有效降低隔离栅两侧电压，从而起到保护隔离接口模块的作用。

图 4

为了达到良好效果，Cp容值应远大于Ciso，建议取100pF~1000pF之间。若无安规要求，可与Cp并联一个大阻值泄放电阻，如1M，以防静电积累；若有安规要求，一般需要去除泄放电阻，同时选择安规电容。器件选择时，注意阻容耐压需要满足设备指标要求。

二、设备控制侧悬空，总线侧有接保护地

如图 5，此状态下，设备控制侧参考地悬空，与PE无任何连接，总线侧有接入保护地（PE）。

图 5

此状态出现的可能场景：

产品开发测试过程中；

单个产品进行ESD测试时；

设备组网时，总线侧先接地，控制侧未接地时；

设备组网后，控制侧未进行接地处理的。

静电分析：

类似的，当控制侧接口受到静电放电时，由于控制侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，两端电压Viso会非常高，如图 6。电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏。

图 6

当总线侧接口受到静电放电时，静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至PE，如图 7。若ESD能量超出了接口模块内部总线侧器件的ESD抗扰能力，总线接口则可能损坏。

图 7

改善方法：

类似的，在隔离栅并联增加一个电容Cp，可以为来自控制侧的静电能量提供一个低阻抗的路径。如图 8，控制侧的静电能量大部分通过此电容泄放至PE，从而起到保护隔离接口模块的作用。若无安规要求，可与Cp并联一个大阻值泄放电阻，如1M，以防静电积累。

图 8

对于总线侧的静电，可以在总线侧增加高等级ESD防护器件（如TVS管），静电能量会通过防护器件泄放至PE，由此来提高总线侧的静电能力，如图 9。TVS选型时需注意，其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压，同时大于信号电压；在通信速率高、或节点数较多时，也需要注意尽量选取等效电容小的器件，以免影响总线正常通信。