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本文導(dǎo)讀
CAN與485都是工業(yè)通信中常用的現(xiàn)場總線，做好通信總線的隔離防護(hù)是產(chǎn)品可靠、穩(wěn)定的重要前提。如何做好通信總線的隔離防護(hù)呢？本文與讀者淺談總線隔離那點事。
為什么要隔離
目前大多數(shù)產(chǎn)品對外通訊部分可總結(jié)為：MCU+收發(fā)器+外部總線，其中大多數(shù)常用的MCU都集成有CAN或UART鏈路層控制器。從MCU發(fā)出的電平信號一般為5V或3.3V，為達(dá)到與總線連接和遠(yuǎn)傳的目的，往往需要在MCU與總線間加收發(fā)器，它起到電平轉(zhuǎn)換的作用。
圖1 常規(guī)通信
采用總線通信方式必然涉及到外部通信走線，CAN和458總線往往需要做數(shù)百米的布線。總線越長、經(jīng)過的環(huán)境越復(fù)雜越容易出現(xiàn)通信問題。外部環(huán)境中復(fù)雜多變的電磁場會間接抬高總線的電勢，靜電、浪涌、短路等會直接作用到通信線上。
以上情況的出現(xiàn)，輕則導(dǎo)致收發(fā)器損壞，重則造成主板故障。因此，與總線連接前加入隔離是十分必要的。
如何隔離
隔離的方法及原理與I/O隔離相似，不同的是通信隔離需要考慮到隔離器件對通信信號的影響，不當(dāng)?shù)母綦x往往導(dǎo)致通信中斷或通信不暢。對收發(fā)器來說，隔離可以從兩方面入手，通信隔離和供電隔離。
目前主流的通信隔離方案為光耦、容耦及礠耦，隔離特點上光耦采用光的形式進(jìn)行信號傳遞，容耦通過電場的形式進(jìn)行傳輸，磁偶采用磁場形式進(jìn)行傳輸。供電隔離采用微功率DC-DC隔離電源，使輸入與輸出之間沒有電氣連接，避免供電端對收發(fā)器的影響。
圖2 電源與通信雙隔離
具體來講，隔離可以從兩個渠道實現(xiàn)：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。采用分立模塊搭建往往涉及到很多器件的選型及采購，實現(xiàn)起來較為麻煩且難保證該部分在產(chǎn)品上的一致性。基于此，集供電隔離、通信隔離一體的隔離收發(fā)器模塊應(yīng)運而生，緊湊的體積使他在應(yīng)用便捷的同時占用更少的PCB面積。
圖3 高度集成的隔離收發(fā)器
增加防護(hù)等級
隔離收發(fā)器能為后級主板提供絕對的隔離防護(hù)，但同時自身也需要防護(hù)，因為隔離收發(fā)器被損壞通訊也將中斷。以CTM8251K(A)T為例，它的浪涌等級可以達(dá)到IEC/EN 61000-4-5 共模/差模±2kV，足以應(yīng)對絕大部分工業(yè)場合。從可靠性上考慮，即使在惡劣環(huán)境中選用隔離收發(fā)器，我們?nèi)越ㄗh您在外圍添加保護(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，GDT瞬間達(dá)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(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。
圖4 增加防護(hù)等級
圖5 選用器件參數(shù)（僅供參考）
上圖所示的接口電路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。有沒有更好的辦法呢？ZLG致遠(yuǎn)電子已經(jīng)為小伙伴們設(shè)計了專業(yè)的信號浪涌抑制器SP00S12，該模塊直接將總線浪涌等級提高到IEC61000-4-5±4KV。
圖6 浪涌抑制實測
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)，尤為適合 CAN、RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護(hù)。SP00S12損耗小、反應(yīng)快，通流容量：≤ 500A（8/20μS 模擬雷電波形），滿足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等級要求。
圖7 SP00S12應(yīng)用
ZLG致遠(yuǎn)電子隔離模塊
ZLG致遠(yuǎn)電子推出的模塊有隔離電源模塊、隔離收發(fā)器模塊、信號調(diào)理模塊及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。其中電源模塊為微功率隔離/非隔離DC-DC模塊；隔離收發(fā)器模塊包括CAN、465、232模塊，CAN與485更是全新上線表貼式小體積型號；總線保護(hù)器就是上文提到的SP00S12。多協(xié)議模塊是專為MCU外設(shè)資源不足時提供的，包括UART/SPI轉(zhuǎn)CAN、SPI轉(zhuǎn)485等等。
圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊
