引言
具有彈性數據速率的控制器區域網路(CAN FD)為一種 2線差分串列通訊協定，使微控制器和其它元件網路能夠在沒有專用主機控制器的情況下進行通訊。網路中的每個節點都需要一個 CAN FD 收發器，以便在微控制器使用的本地單端訊號和穩定非車載通訊所需的差分訊號之間進行轉換。
轉換功能需要在敏感的電子設備和外部環境之間插入CAN FD 收發器。在工業和儀器儀錶應用中，因操作不當、存在電氣雜訊的操作環境，甚至雷擊造成的大瞬態電壓可能會形成巨大壓力，導致通訊連接埠和基礎電子設備受損。訊號和電源隔離式 ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收發器能夠承受其中許多瞬態電壓並保護敏感的電子設備。
根據適用的 IEC 標準，瞬態電壓分為靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈衝群(EFT)和湧浪，並根據瞬態電壓的大小進行評級。4 級 IEC 61000-4-2 ESD 保護、IEC 61000-4-4 EFT 抗擾度和 4 級+跨柵 IEC 61000-4-5 湧浪保護透過在隔離訊號和電源的 CAN FD 收發器ADM3055E/ADM3057E 的晶片內整合保護來實現。
當跨柵湧浪透過 iCoupler®隔離閘吸收時，通過匯流排側接地返回的湧浪會在收發器上耗散大量功率，除非將這些湧浪轉移。本應用筆記討論ADM3055E/ADM3057E 收發器 CAN FD 埠上 IEC 61000-4-5湧浪保護的解決方案。根據所需湧浪保護級別、共模範圍要求和可用 PCB 面積，確定了設計選項的特性。
本應用筆記的元件測試使用 ADM3055E/ADM3057E進行。 其他元件（ ADM3050E 、 ADM3056E 和ADM3058E）共用一個收發器晶片，本應用筆記中涵蓋的資訊通常也適用於這些元件。
概述
CAN FD 標準
具有彈性數據速率的控制器區域網路(CAN FD)是內建故障處理功能的分散式通訊的標準，該標準詳細描述了基於 ISO-118981-2:2016 開放系統互相連線(OSI)模型的物理和數據連結層規定相關要求。CAN FD 最初專為汽車應用開發，由於其所用通訊機制具有一些固有優勢，因而廣泛應用於工業和儀器儀錶領域。
ADM3055E/ADM3057E 隔離訊號和電源收發器的擴展共模範圍為±25V。共模範圍超過 ISO 11898-2:2016 的要求，即使網路節點之間存在較大的接地失調，也能提供可靠的通訊。在全速模式下，該隔離型收發器也大幅超過 ISO 11898-2:2016 的時序要求。低迴路延遲使設計人員能夠將每位的大部分用於建立時間。擴展的共模範圍和時序規範支援工業應用實現更可靠的遠端通訊。
有關 CAN FD 的更多資訊，請參閱 AN-1123。
ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收發器
在現場安裝中，直接接觸、電線損壞、感應開關、電源波動、電弧甚至附近的雷擊都有可能對網路造成損壞。設計人員必須確保設備不僅能在理想條件下工作，而且能夠在惡劣的現實環境中可靠運作。為了確保這些設計能夠在電氣條件惡劣的環境下工作，各個政府機構和監管機構推行了 EMC 法規。如果設計的產品符合這些法規，終端使用者就會確信其在惡劣的電磁環境下也能正常工作。
隔離訊號和電源 ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收發器為一款 CAN FD 實體層收發器。該元件採用 ADI 的 iCoupler 技術，將 3 通道隔離器、CAN FD 收發器和 ADI 的 isoPower®隔離型 DC/DC 轉換器整合於單個表貼式小尺寸積體電路(SOIC_IC)封裝中。
EFT 和 ESD 瞬變具有相似的能量水準，ADM3055E/ADM3057E上的ESD 和EFT防護透過晶片內保護結構實現。湧浪波形的能量水準要高很多，湧浪瞬態電壓可以施加於隔離閘或收發器晶片。整合的 iCoupler 隔離閘技術為跨柵發生的湧浪瞬變提供了更強的保護。整合保護級別見表 1。保護收發器免受高水準湧浪的影響需要外部保護元件，本應用筆記中將對此進行討論。
表1. ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保護級別
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EMC 規範 |
保護級別 |
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IEC 61000-4-2 ESD |
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接觸放電 |
±8 kV，4 級 |
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空氣放電 |
±15 kV，4 級 |
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IEC 61000-4-4 EFT |
±2 kV，4 級 |
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跨柵 IEC 61000-4-5 湧浪 |
±6 kV，4+級， VIOSM 增強型 |
湧浪抗擾度測試
湧浪瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障（例如安裝時與接地系統形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的起因可能是附近的雷擊將較高的電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些湧浪現象影響的情況下用於評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。
圖 1 顯示了 1.2 µs/50 µs 湧浪瞬變波形。標準的波形由波形產生器產生，用於表徵開路電壓和短路電流事件。湧浪瞬變被認為是最嚴重的 EMC 瞬變，其能量水準比ESD或EFT脈衝中的能量大三到四個數量級。因此，由於其高能量，通常需要外部保護元件來提高湧浪抗擾度水準。
圖1. IEC 61000-4-5湧浪1.2 µs/50 µs波形
圖2顯示了本應用筆記中用於湧浪測試的CAN埠的耦合網路。電阻並聯總和為 40 Ω。對於半雙工元件，各電阻為 80 Ω。請注意，湧浪測試期間還包括高速CAN 匯流排的終端網路。
圖2. 適用於CAN FD收發器的湧浪耦合網路
湧浪測試期間，將10個正脈衝和10個負脈衝施加於資料埠，各脈衝最長間隔時間為10秒鐘。在測試期間，元件在三種條件下進行設定，即未通電模式、正常工作模式和待機模式。在施加湧浪脈衝應力之前和之後檢查CANH和CANL接腳上的洩漏，同時在測試之前、期間和之後監測開關訊號和ICC電流。進行湧浪測試以確保IEC 61000-4-5標準所述的性能判據B。判據B允許暫時喪失功能或暫時降低性能，但必須在無需操作人員干預的情況下進行自我恢復。
適用於 CAN FD 的湧浪瞬變保護解決方案
EMC 瞬態事件隨時間變化。必須進行精心設計並確定特性，瞭解受保護元件的輸入/輸出級的動態性能，並且使用保護元件，才能確保電路達到 EMC 標準。元件產品手冊一般只包含直流資料，由於動態擊穿和 I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些資料沒有太多價值。
本應用筆記介紹具有完整特性的五種不同湧浪解決方案。每種解決方案都為 ADI 的 ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器提供不同的成本/保護級別，並使用一系列外部電路保護元件增強了湧浪保護。使用的兩種外部電路保護元件包括瞬態電壓抑制器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C 和 TCLAMP1202P）和晶閘管湧浪保護器（TISP7038L1 和 TISP4P035L1N）。
TVS 保護元件選項
第一種解決方案使用不同的瞬態電壓抑制器(TVS)陣列。由兩個雙向 TVS 二極體組成的典型 TVS 陣列如圖3 所示。表 2 顯示了有關防止湧浪瞬變的電壓電平、共模電壓和封裝 PCB 尺寸的詳細資訊。
圖3. TVS保護方案
表2. TVS保護選項
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元件名稱 |
VRWM (V) |
單位數1 |
尺寸面積2 (mm2) |
高度2 (mm) |
IEC 61000-4-5 湧浪 |
|
|
電壓(kV) |
級別 |
|||||
|
SM712-02HTG |
+12/−7 |
1 |
8.23 |
1.12 |
±1 |
2 |
|
CDNBS08-T24C |
±24 |
1 |
31.68 |
1.75 |
±1 |
2 |
|
TCLAMP1202P |
±12 |
2 |
8.82 |
0.60 |
±4 |
4 |
|
1 CANH/CANL埠對所需的保護元件數量。 |
||||||
TVS 是基於矽的元件。正常工作條件下，TVS 具有很高的對地阻抗，理想情況下為開路。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是透過 PN 結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大於 TVS 的擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS 會將瞬態箝位到小於保護元件的擊穿電壓的預定水準。瞬變立即受到箝位(< 1 ns)，瞬變電流從受保護元件轉移至地。
典型雙向 TVS 的 I/V 特性如圖 4 所示。TVS 的 VRWM必須與 CAN FD 埠的共模電壓匹配。確保擊穿電壓VBR在受保護接腳的正常工作範圍之外，這一點也很重要。IPP的 RDYN和 VCLAMP較低，通常會將大部分湧浪電流分流至地，並將電壓箝位到接腳的故障電壓以下。
圖4. 典型雙向TVS I/V特性
TISP 保護元件選項
另一種類型的電湧保護元件是快速恢復元件，例如完全整合式湧浪保護器(TISP)。圖 5 顯示了作為外部湧浪保護元件進行研究的兩種 Bourns TISP。這些元件提供了更多具有不同共模電壓範圍和成本/湧浪性能水準的選項，如表 3 所示。
圖5. TISP保護方案
表3. TISP保護選項
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元件名稱 |
VRWM (V) |
單位數1 |
尺寸面積2 (mm2) |
高度2 (mm) |
IEC 61000-4-5 湧浪 |
|
|
電壓(kV) |
級別 |
|||||
|
TISP7038L1 |
±28 |
1 |
32.63 |
1.75 |
±1 |
2 |
|
TISP4P035L1N |
±24 |
2 |
18.72 |
1.35 |
±2 |
3 |
|
1 CANH/CANL埠對所需的保護元件數量。 |
||||||
TISP 的非線性電壓-電流特性透過轉移產生的電流來限制過壓。作為晶閘管，TISP 具有非連續電壓-電流特性，其是由於高電壓區和低電壓區之間的切換動作而導致的。圖 6 顯示了元件的電壓-電流特性。在 TISP 元件切換到低電壓狀態之前，其具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區域則導致了箝位動作。
圖6. TISP切換特性和電壓限制波形
在限制過壓的過程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開狀態之前，TISP 元件處在擊穿區域。當轉移電流降低到臨界值以下時，TISP 元件自動重設，以便恢復正常系統運行。
關於這類元件的選擇有幾點需要考慮。首先，TISP 的擊穿電壓必須高於埠的共模電壓。此外，TISP 具有卓越的功率密度效率，通常會提供較高的 IPP。但是，脈衝上升終端的電壓過沖可能非常高，並可能損壞被測埠，這通常會限制湧浪保護級別。不過，在 IEC ESD 測試期間，TISP 的低保持電壓可能會導致一些閂鎖問題。此處列出的 TISP 解決方案已按照 IEC 61000-4-2 ESD 進行測試，可以消除此問題。
結論
在設計因應 CAN FD 網路的 EMC 相容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與 CAN FD 收發器輸入/輸出結構的動態性能相匹配。本應用筆記介紹了適用於 ADM3055E/ADM3057E隔離訊號和電源CAN FD收發器的五種湧浪保護解決方案，為設計人員提供了多種選項，可根據保護級別、共模範圍和成本要求進行選擇。表 4 總結了這些保護元件選項。
表4. 針對不同系統要求和IEC 61000-4-5湧浪級別的湧浪保護解決方案
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元件名稱 |
VRWM (V) |
單位數1 |
尺寸面積2 (mm2) |
高度2 (mm) |
IEC 61000-4-5 湧浪 |
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|
電壓(kV) |
級別 |
|||||
|
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 |
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TCLAMP1202P |
±12 |
2 |
8.82 |
0.60 |
±4 |
4 |
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1 CANH/CANL埠對所需的保護元件數量。 |
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雖然這些設計工具不能取代所需的系統級嚴格評估和專業資質，但能夠讓設計人員在設計早期降低 EMC 問題導致的風險，進而避免已知缺陷，並縮短整體設計階段。
參考資料
有關介面和隔離產品的更多資訊，請參見本節（另見 ADI網站）。
電磁相容性(EMC)第 4-5 部分：測試和測量技巧—湧浪抗擾性試驗（IEC 61000-4-5:2005（2.0 版））。
ISO 11898-1:2003，「道路車輛—控制器區域網路(CAN)—第 1 部分：資料連結層和物理信令」。ISO 國際標準，2003 年。
ISO 11898-2:2003，“道路車輛—控制器區域網路(CAN)—第2 部分：高速介質訪問單元”。ISO 國際標準，2003 年。
ADM3055E/ADM3057E 產品手冊。ADI 。
Scanlon，James。AN-1161 應用筆記。EMC 相容 RS-485通訊網路。ADI ，2013 年。
Watterson, Conal, Dr. AN-1123 應用筆記。控制器區域網路(CAN)建置指南。ADI ，2017 年。
