【導(dǎo)讀】隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，以提升總線的抗干擾能力，但設(shè)備接口可能會采用端子與外部連接，可能會在安裝、維修過程中有靜電等能量輸入，從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問題呢？本文為你揭秘。
隔離模塊應(yīng)用于各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，以提升總線的抗干擾能力，但設(shè)備接口可能會采用端子與外部連接，可能會在安裝、維修過程中有靜電等能量輸入，從而導(dǎo)致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問題呢？本文為你揭秘。
帶隔離通信接口的設(shè)備，在不同的使用、安裝狀態(tài)下，接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性，了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下，ESD對接口的影響的機(jī)理，才能有針對性地增加保護(hù)器件，提升隔離接口的ESD能力。下面以帶有隔離CAN或RS-485通信接口為例，對常見的設(shè)備狀態(tài)下，ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改善措施。
帶隔離通信接口的設(shè)備，在不同的使用、安裝狀態(tài)下，接口會表現(xiàn)出完全不同的ESD特性，了解設(shè)備在不同的使用狀態(tài)下，ESD對接口的影響的機(jī)理，才能有針對性地增加保護(hù)器件，提升隔離接口的ESD能力。下面以帶有隔離CAN或RS-485通信接口為例，對常見的設(shè)備狀態(tài)下，ESD的作用機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改善措施。
一、設(shè)備控制側(cè)有接保護(hù)地，總線側(cè)懸空
如圖1，此狀態(tài)下，設(shè)備控制側(cè)有接入保護(hù)地（PE），總線側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接。
圖 1
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：
產(chǎn)品開發(fā)測試過程中；
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時(shí)；
設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，控制側(cè)已接入保護(hù)地，正在進(jìn)行總線接入或斷開操作時(shí)；
設(shè)備組網(wǎng)后，總線側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析：
假設(shè)控制側(cè)均做了足夠的保護(hù)措施，當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí)，能量通過控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE，對隔離通信接口基本無影響，如圖 2。
圖 2
當(dāng)總線接口受到靜電放電時(shí)，由于總線側(cè)懸空，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進(jìn)行泄放，由于Ciso非常小，僅有幾皮法至十幾皮法，Ciso被迅速充電，兩端電壓Viso會非常高，幾乎等同于放電電壓，如圖 3。電壓全部施加在隔離接口模塊的隔離柵，若電壓超出了隔離柵的電壓承受范圍，則會導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
圖 3
對于一般的隔離接口模塊，隔離柵可承受的靜電放電電壓只有4kV，對于更高等級的6kV或8kV的靜電來說是非常脆弱的，極易出現(xiàn)損壞情況。
改善方法：
為了減輕隔離柵的壓力，可以在隔離柵兩邊增加一個(gè)電容Cp， 為靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑。如圖 4，總線側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE，并可以有效降低隔離柵兩側(cè)電壓，從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。
圖 4
為了達(dá)到良好效果，Cp容值應(yīng)遠(yuǎn)大于Ciso，建議取100pF~1000pF之間。若無安規(guī)要求，可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累；若有安規(guī)要求，一般需要去除泄放電阻，同時(shí)選擇安規(guī)電容。器件選擇時(shí)，注意阻容耐壓需要滿足設(shè)備指標(biāo)要求。
二、設(shè)備控制側(cè)懸空，總線側(cè)有接保護(hù)地
如圖 5，此狀態(tài)下，設(shè)備控制側(cè)參考地懸空，與PE無任何連接，總線側(cè)有接入保護(hù)地（PE）。
圖 5
此狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：
產(chǎn)品開發(fā)測試過程中；
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時(shí)；
設(shè)備組網(wǎng)時(shí)，總線側(cè)先接地，控制側(cè)未接地時(shí)；
設(shè)備組網(wǎng)后，控制側(cè)未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析：
類似的，當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí)，由于控制側(cè)懸空，能量只能通過隔離柵的等效電容Ciso進(jìn)行泄放，由于Ciso非常小，兩端電壓Viso會非常高，如圖 6。電壓全部施加在隔離接口模塊的隔離柵，若電壓超出了隔離柵的電壓承受范圍，則會導(dǎo)致內(nèi)部隔離柵損壞。
圖 6
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時(shí)，靜電能量通過隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE，如圖 7。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力，總線接口則可能損壞。
圖 7
改善方法：
類似的，在隔離柵并聯(lián)增加一個(gè)電容Cp，可以為來自控制側(cè)的靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑。如圖 8，控制側(cè)的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE，從而起到保護(hù)隔離接口模塊的作用。若無安規(guī)要求，可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累。
圖 8
對于總線側(cè)的靜電，可以在總線側(cè)增加高等級ESD防護(hù)器件（如TVS管），靜電能量會通過防護(hù)器件泄放至PE，由此來提高總線側(cè)的靜電能力，如圖 9。TVS選型時(shí)需注意，其導(dǎo)通電壓必須小于隔離接口可承受的最大電壓，同時(shí)大于信號電壓；在通信速率高、或節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，也需要注意盡量選取等效電容小的器件，以免影響總線正常通信。
圖 9
三、設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)均有接保護(hù)地
如圖 10，此狀態(tài)下，設(shè)備控制側(cè)、總線側(cè)都通過一定方式接入保護(hù)地（PE）。
圖 10
狀態(tài)出現(xiàn)的可能場景：
設(shè)備自身接PE，總線組網(wǎng)后單點(diǎn)接PE。
靜電分析：
當(dāng)控制側(cè)接口受到靜電放電時(shí)，能量通過控制側(cè)保護(hù)器泄放至PE1，對隔離通信接口基本無影響，如圖 11。
圖 11
當(dāng)總線側(cè)接口受到靜電放電時(shí)，靜電能量通過隔離接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件泄放至PE2，如圖 12。若ESD能量超出了接口模塊內(nèi)部總線側(cè)器件的ESD抗擾能力，總線接口則可能損壞。
圖 12
改善方法：
在總線側(cè)增加高等級ESD防護(hù)器件（如TVS管），靜電能量會通過防護(hù)器件泄放至PE2，由此來提高總線側(cè)的靜電能力，如圖 13。
圖 13
推薦的實(shí)際應(yīng)用電路
為了滿足上述提到的三種設(shè)備狀態(tài)下，隔離接口模塊均得到有效的靜電保護(hù)，建議進(jìn)行隔離接口設(shè)計(jì)時(shí)，參考圖 14所示電路，增加Cp、Rp以及TVS，提高隔離接口的ESD抗擾能力。注意，若產(chǎn)品有安規(guī)要求，如需要進(jìn)行耐壓測試、絕緣電阻測試，則不能增加Rp電阻。
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會存在各種不同的狀態(tài)，對于與上述描述不同的情況，也可按以上的方法進(jìn)行分析，并有針對性的增加保護(hù)器件，從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。
圖 14
四、總結(jié)
由于設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中會存在各種不同的狀態(tài)，對于與上述描述不同的情況，也可按以上的方法進(jìn)行分析，并有針對性的增加保護(hù)器件，從而達(dá)到提升ESD抗擾能力的作用。廣州致遠(yuǎn)電子有限公司基于多年的總線防護(hù)設(shè)計(jì)積累推出了高防護(hù)等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，靜電防護(hù)等級可達(dá)接觸±8kV，空氣放電±15kV，浪涌防護(hù)可達(dá)±4kV隔離CAN解決方案，具體如下圖15所示，能夠適用于各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。應(yīng)用簡便，即插即用，應(yīng)用原理圖如下圖16所示。
圖 15 CTM1051(A)HP的EMC性能
圖 16 應(yīng)用原理圖
