隔離模塊應用於各類複雜的工業環境中
，以提升總線的抗幹擾能力

，但設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，從而導致隔離模塊損壞。那麼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備
，在不同的使用
、安裝狀態下
，接口會表現出完全不同的ESD特性，了解設備在不同的使用狀態下，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。下麵以帶有隔離CAN或RS-485通信接口為例，對常見的設備狀態下，ESD的作用機理進行分析，並提出相應的改善措施。

 

 

如圖1，此狀態下
，設備控製側有接入保護地（PE），總線側參考地懸空，與PE無任何連接。

 

 

 

圖 1
 

 

產品開發測試過程中；

 

單個產品進行ESD測試時
；

 

設備組網時
，控製側已接入保護地，正在進行總線接入或斷開操作時；

 

設備組網後，總線側未進行接地處理的。

 

 

假設控製側均做了足夠的保護措施，當控製側接口受到靜電放電時，能量通過控製側保護器泄放至PE，對隔離通信接口基本無影響，如圖 2。

 

 

圖 2

 

當總線接口受到靜電放電時，由於總線側懸空
，能量隻能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放，由於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
，幾乎等同於放電電壓，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範圍，則會導致內部隔離柵損壞。

 

圖 3

 

對於一般的隔離接口模塊，隔離柵可承受的靜電放電電壓隻有4kV，對於更高等級的6kV或8kV的靜電來說是非常脆弱的，極易出現損壞情況。

 

為了減輕隔離柵的壓力，可以在隔離柵兩邊增加一個電容Cp， 為靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 4

，總線側的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE
，並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容值應遠大於Ciso
，建議取100pF~1000pF之間。若無安規要求
，可與Cp並聯一個大阻值泄放電阻
，如1M，以防靜電積累
；若有安規要求，一般需要去除泄放電阻，同時選擇安規電容。器件選擇時，注意阻容耐壓需要滿足設備指標要求。

 

 

如圖 5，此狀態下
，設備控製側參考地懸空
，與PE無任何連接
，總線側有接入保護地（PE）。

 

圖 5

 

 

產品開發測試過程中
；

 

單個產品進行ESD測試時；

 

設備組網時，總線側先接地，控製側未接地時；

 

設備組網後，控製側未進行接地處理的。

 

 

類似的，當控製側接口受到靜電放電時，由於控製側懸空，能量隻能通過隔離柵的等效電容Ciso進行泄放，由於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範圍，則會導致內部隔離柵損壞。

 

圖 6

 

當總線側接口受到靜電放電時

，靜電能量通過隔離接口模塊內部總線側器件泄放至PE，如圖 7。若ESD能量超出了接口模塊內部總線側器件的ESD抗擾能力，總線接口則可能損壞。

 

圖 7

 

 

類似的，在隔離柵並聯增加一個電容Cp，可以為來自控製側的靜電能量提供一個低阻抗的路徑。如圖 8，控製側的靜電能量大部分通過此電容泄放至PE
，從而起到保護隔離接口模塊的作用。若無安規要求，可與Cp並聯一個大阻值泄放電阻，如1M，以防靜電積累。

 

圖 8

 

對於總線側的靜電
，可以在總線側增加高等級ESD防護器件（如TVS管），靜電能量會通過防護器件泄放至PE，由此來提高總線側的靜電能力，如圖 9。TVS選型時需注意
，其導通電壓必須小於隔離接口可承受的最大電壓，同時大於信號電壓
；在通信速率高、或節點數較多時，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

 

 

如圖 10
，此狀態下，設備控製側、總線側都通過一定方式接入保護地（PE）。

 

圖 10

 

 

設備自身接PE
，總線組網後單點接PE。

 

當控製側接口受到靜電放電時，能量通過控製側保護器泄放至PE1，對隔離通信接口基本無影響，如圖 11。

 

圖 11

 

當總線側接口受到靜電放電時，靜電能量通過隔離接口模塊內部總線側器件泄放至PE2

，如圖 12。若ESD能量超出了接口模塊內部總線側器件的ESD抗擾能力，總線接口則可能損壞。

 

圖 12

 

 

在總線側增加高等級ESD防護器件（如TVS管）
，靜電能量會通過防護器件泄放至PE2，由此來提高總線側的靜電能力，如圖 13。

 

圖 13

 

 

為了滿足上述提到的三種設備狀態下
，隔離接口模塊均得到有效的靜電保護，建議進行隔離接口設計時，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，若產品有安規要求，如需要進行耐壓測試、絕緣電阻測試，則不能增加Rp電阻。

 

由(you)於(yu)設(she)備(bei)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)會(hui)存(cun)在(zai)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)狀(zhuang)態(tai)，對(dui)於(yu)與(yu)上(shang)述(shu)描(miao)述(shu)不(bu)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)，也(ye)可(ke)按(an)以(yi)上(shang)的(de)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，並(bing)有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)增(zeng)加(jia)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)
，從(cong)而(er)達(da)到(dao)提(ti)升(sheng)ESD抗擾能力的作用。

 

圖 14

 

 

由(you)於(yu)設(she)備(bei)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)會(hui)存(cun)在(zai)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)狀(zhuang)態(tai)，對(dui)於(yu)與(yu)上(shang)述(shu)描(miao)述(shu)不(bu)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)，也(ye)可(ke)按(an)以(yi)上(shang)的(de)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)
，並(bing)有(you)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)增(zeng)加(jia)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)提(ti)升(sheng)ESD抗擾能力的作用。廣州致遠電子有限公司基於多年的總線防護設計積累推出了高防護等級隔離模塊——CTM1051(A)HP係列。該係列符合國際ISO11898-2標準，靜電防護等級可達接觸±8kV，空氣放電±15kV，浪湧防護可達±4kV隔離CAN解決方案，具體如下圖15所示，能夠適用於各種惡劣的工業現場環境。應用簡便，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