【導讀】隔離模塊應用于各類(lèi)復雜的工業(yè)環(huán)境中，以提升總線(xiàn)的抗干擾能力，但設備接口可能會(huì )采用端子與外部連接，可能會(huì )在安裝、維修過(guò)程中有靜電等能量輸入，從而導致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問(wèn)題呢？本文為你揭秘。
隔離模塊應用于各類(lèi)復雜的工業(yè)環(huán)境中，以提升總線(xiàn)的抗干擾能力，但設備接口可能會(huì )采用端子與外部連接，可能會(huì )在安裝、維修過(guò)程中有靜電等能量輸入，從而導致隔離模塊損壞。那么該如何避免這樣的問(wèn)題呢？本文為你揭秘。
帶隔離通信接口的設備，在不同的使用、安裝狀態(tài)下，接口會(huì )表現出完全不同的ESD特性，了解設備在不同的使用狀態(tài)下，ESD對接口的影響的機理，才能有針對性地增加保護器件，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(jiàn)的設備狀態(tài)下，ESD的作用機理進(jìn)行分析，并提出相應的改善措施。
帶隔離通信接口的設備，在不同的使用、安裝狀態(tài)下，接口會(huì )表現出完全不同的ESD特性，了解設備在不同的使用狀態(tài)下，ESD對接口的影響的機理，才能有針對性地增加保護器件，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(jiàn)的設備狀態(tài)下，ESD的作用機理進(jìn)行分析，并提出相應的改善措施。
一、設備控制側有接保護地，總線(xiàn)側懸空
如圖1，此狀態(tài)下，設備控制側有接入保護地（PE），總線(xiàn)側參考地懸空，與PE無(wú)任何連接。
圖 1
此狀態(tài)出現的可能場(chǎng)景：
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)測試過(guò)程中；
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時(shí)；
設備組網(wǎng)時(shí)，控制側已接入保護地，正在進(jìn)行總線(xiàn)接入或斷開(kāi)操作時(shí)；
設備組網(wǎng)后，總線(xiàn)側未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析：
假設控制側均做了足夠的保護措施，當控制側接口受到靜電放電時(shí)，能量通過(guò)控制側保護器泄放至PE，對隔離通信接口基本無(wú)影響，如圖 2。
圖 2
當總線(xiàn)接口受到靜電放電時(shí)，由于總線(xiàn)側懸空，能量只能通過(guò)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(huì )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(huì )導致內部隔離柵損壞。
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(lái)說(shuō)是非常脆弱的，極易出現損壞情況。
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(xiàn)側的靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放至PE，并可以有效降低隔離柵兩側電壓，從而起到保護隔離接口模塊的作用。
圖 4
為了達到良好效果，Cp容值應遠大于Ciso，建議取100pF~1000pF之間。若無(wú)安規要求，可與Cp并聯(lián)一個(gè)大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累；若有安規要求，一般需要去除泄放電阻，同時(shí)選擇安規電容。器件選擇時(shí)，注意阻容耐壓需要滿(mǎn)足設備指標要求。
二、設備控制側懸空，總線(xiàn)側有接保護地
如圖 5，此狀態(tài)下，設備控制側參考地懸空，與PE無(wú)任何連接，總線(xiàn)側有接入保護地（PE）。
圖 5
此狀態(tài)出現的可能場(chǎng)景：
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)測試過(guò)程中；
單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行ESD測試時(shí)；
設備組網(wǎng)時(shí)，總線(xiàn)側先接地，控制側未接地時(shí)；
設備組網(wǎng)后，控制側未進(jìn)行接地處理的。
靜電分析：
類(lèi)似的，當控制側接口受到靜電放電時(shí)，由于控制側懸空，能量只能通過(guò)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(huì )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(huì )導致內部隔離柵損壞。
圖 6
當總線(xiàn)側接口受到靜電放電時(shí)，靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內部總線(xiàn)側器件泄放至PE，如圖 7。若ESD能量超出了接口模塊內部總線(xiàn)側器件的ESD抗擾能力，總線(xiàn)接口則可能損壞。
圖 7
改善方法：
類(lèi)似的，在隔離柵并聯(lián)增加一個(gè)電容Cp，可以為來(lái)自控制側的靜電能量提供一個(gè)低阻抗的路徑。如圖 8，控制側的靜電能量大部分通過(guò)此電容泄放至PE，從而起到保護隔離接口模塊的作用。若無(wú)安規要求，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(xiàn)側的靜電，可以在總線(xiàn)側增加高等級ESD防護器件（如TVS管），靜電能量會(huì )通過(guò)防護器件泄放至PE，由此來(lái)提高總線(xiàn)側的靜電能力，如圖 9。TVS選型時(shí)需注意，其導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、或節點(diǎn)數較多時(shí)，也需要注意盡量選取等效電容小的器件，以免影響總線(xiàn)正常通信。
圖 9
三、設備控制側、總線(xiàn)側均有接保護地
如圖 10，此狀態(tài)下，設備控制側、總線(xiàn)側都通過(guò)一定方式接入保護地（PE）。
圖 10
狀態(tài)出現的可能場(chǎng)景：
設備自身接PE，總線(xiàn)組網(wǎng)后單點(diǎn)接PE。
靜電分析：
當控制側接口受到靜電放電時(shí)，能量通過(guò)控制側保護器泄放至PE1，對隔離通信接口基本無(wú)影響，如圖 11。
圖 11
當總線(xiàn)側接口受到靜電放電時(shí)，靜電能量通過(guò)隔離接口模塊內部總線(xiàn)側器件泄放至PE2，如圖 12。若ESD能量超出了接口模塊內部總線(xiàn)側器件的ESD抗擾能力，總線(xiàn)接口則可能損壞。
圖 12
改善方法：
在總線(xiàn)側增加高等級ESD防護器件（如TVS管），靜電能量會(huì )通過(guò)防護器件泄放至PE2，由此來(lái)提高總線(xiàn)側的靜電能力，如圖 13。
圖 13
推薦的實(shí)際應用電路
為了滿(mǎn)足上述提到的三種設備狀態(tài)下，隔離接口模塊均得到有效的靜電保護，建議進(jìn)行隔離接口設計時(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。
由于設備實(shí)際應用中會(huì )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器件，從而達到提升ESD抗擾能力的作用。
圖 14
四、總結
由于設備實(shí)際應用中會(huì )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器件，從而達到提升ESD抗擾能力的作用。廣州致遠電子有限公司基于多年的總線(xiàn)防護設計積累推出了高防護等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標準，靜電防護等級可達接觸±8kV，空氣放電±15kV，浪涌防護可達±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)現場(chǎng)環(huán)境。應用簡(jiǎn)便，即插即用，應用原理圖如下圖16所示。
圖 15 CTM1051(A)HP的EMC性能
圖 16 應用原理圖
