隔离CAN总线的接地技术
近海
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2019.12.30
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汽车内部有各种类型的电子控制单元和负载,比如大电流工作的电机和继电器等感性元件,当它们工作时会产生非常大的高压脉冲和电磁干扰,这些干扰信号会通过系统之间的连线或空间传播,影响其它系统的正常工作。为了保证总线网络的通信稳定性,会在总线上采取隔离措施,而接地技术对网络节点的抗干扰能力起着非常重要的作用。

对网络节点来说,一般有两种状态:总线侧悬空和控制侧悬空。本文针对这两种情况对隔离节点的接地进行分析。

1.总线侧悬空

在这种情况下,节点的控制侧连接到保护地,而总线侧的参考地悬空,跟保护地没有连接,如下图所示。

如上图所示,节点控制侧接入保护器件(TVS)防止高压信号进入后续电路。当高压干扰信号出现在节点入口时,高压能量会通过TVS泄放到保护地(PE),对通信接口基本无影响。

当总线侧出现干扰信号时,因为总线侧悬空,能量只能通过器件隔离栅的等效电容泄放,由于等效电容很小,被迅速充电后,电容两端电压非常高,几乎等于放电电压,如果该电压超出了隔离栅的耐受电压范围,就会导致隔离栅损坏,如下图所示。

2.控制侧悬空

在这种情况下,控制侧参考地悬空,跟保护地没有连接,总线侧接到保护地,如下图所示。

当总线侧受到干扰时,能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放到保护地,但若能量超出了接口模块内部总线侧器件的抗干扰能力,接口可能损坏,如下图所示。

当控制侧受到高压干扰时,由于控制侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容泄放,由于非常小,电容两端电压会非常高,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,如下图所示。

3.改进措施

针对以上两种情况,隔离接口模块要得到有效的保护,建议进行隔离接口设计时,增加Cp、Rp以及TVS器件,提高隔离接口的抗干扰能力,如下图所示。

(1)电容Cp的作用:减轻隔离栅的压力,为能量提供一个低阻抗的路径,能量大部分通过此电容泄放。Cp应远大于隔离栅等效电容,建议取100pF~1000pF之间。

(2)TVS的作用:对于总线侧的干扰,能量会通过防护器件泄放,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。

若产品无安规要求,可与Cp并联一个大阻值泄放电阻,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。

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