浪涌保护不再难！适于ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器的5种筹划

根据IEC标准和瞬态电压大小，瞬态电压可分为静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)和浪涌。
通过ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器的片内集成保护，可实现4级IEC 61000-4-2 ESD保护、IEC 61000-4-4 EFT抗扰度和4级+跨栅IEC 61000-4-5浪涌保护。

当跨栅浪涌通过iCoupler隔离栅接管时，通过总线侧接地返回的浪涌会在收发器上耗散大量功率，除非将这些浪涌转移。
本文将先容ADM3055E/ADM3057E收发器CAN FD端口上IEC 61000-4-5浪涌保护的办理方案。
根据所需浪涌保护级别、共模范围哀求和可用PCB面积，确定了设计选项的特性。

本文提及的组件测试利用ADM3055E/ADM3057E进行，其他器件（ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E）将共用一个收发器芯片。

概述

CAN FD标准

CAN FD(具有灵巧数据速率的掌握器局域网)是内置故障处理功能的分布式通信的标准，该标准详细描述了基于ISO-118981-2:2016开放系统互连(OSI)模型的物理和数据链路层规定干系哀求。
CAN FD最初专为汽车运用开拓，由于其所用通信机制具有一些固有上风，因而广泛运用于工业和仪器仪表领域。

ADM3055E/ADM3057E隔离旗子暗记和电源收发器的扩展共模范围为25V。
共模范围超过ISO 11898-2:2016的哀求，纵然网络节点之间存在较大的接地失落调，也能供应可靠的通信。
在全速模式下，该隔离型收发器也大大超过ISO 11898-2:2016的时序哀求。
低环路延迟使设计职员能够将每位的大部分用于建立韶光。
扩展的共模范围和时序规范支持工业运用实现更可靠的远程通信。

有关CAN FD的更多信息，请参阅AN-1123。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器

在现场安装中，直接打仗、电线破坏、感应开关、电源颠簸、电弧乃至附近的雷击都有可能对网络造成破坏。
设计职员必须确保设备不仅能在空想条件下事情，而且能够在恶劣的现实环境中可靠运行。
为了确保这些设计能够在电气条件恶劣的环境下事情，各个政府机构和监管机构实行了EMC法规。
如果设计的产品符合这些法规，终端用户就会确信它们在恶劣的电磁环境下也能正常事情。

隔离旗子暗记和电源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器是一款CAN FD物理层收发器。
该器件采取ADI公司的iCoupler技能，将3通道隔离器、CAN FD收发器和ADI公司的isoPower隔离型DC/DC转换器集成于单个表贴式小尺寸集成电路(SOIC_IC)封装中。

EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT防护通过片内保护构造实现。
浪涌波形的能量水平要高很多，浪涌瞬态电压可以施加于隔离栅或收发器裸片。
集成的iCoupler隔离栅技能为跨栅发生的浪涌瞬变供应了更强的保护。
集成保护级别见表1。
保护收发器免受高水平浪涌的影响须要外部保护器件，本文中将对此进行谈论。

表1.ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保护级别

浪涌抗扰度测试

浪涌瞬变常日由开关操作造成的过压情形或雷击造成。
开关瞬变的起因可能是电力系统切换、配电系统中的负载变革或各种系统故障（例如安装时与接地系统形成短路和电弧故障）。
雷电瞬变的起因可能是附近的雷击将较高的电流和电压注入电路中。
IEC 61000-4-5定义了在随意马虎受到这些浪呈现象影响的情形下用于评估电子电气设备抗扰度的波形、测试方法和测试级别。

图1显示了1.2s/50s浪涌瞬变波形。
标准的波形由波形发生器产生，用于表征开路电压和短路电流事宜。
浪涌瞬变被认为是最严重的EMC瞬变，其能量水平比ESD或EFT脉冲中的能量大三到四个数量级。
因此，由于其高能量，常日须要外部保护器件来提高浪涌抗扰度水平。

图1.IEC 61000-4-5浪涌1.2s/50s波形

图2显示了本运用条记中用于浪涌测试的CAN端口的耦合网络。
电阻并联总和为40Ω。
对付半双工器件，各电阻为80。
请把稳，浪涌测试期间还包括高速CAN总线的终端网络。

图2.适用于CAN FD收发器的浪涌耦合网络

浪涌测试期间，将10个正脉冲和10个负脉冲施加于数据端口，各脉冲最长间隔韶光为10秒钟。
在测试期间，器件在三种条件下进行设置，即未通电模式、正常事情模式和待机模式。
在施加浪涌脉冲应力之前和之后检讨CANH和CANL引脚上的泄露，同时在测试之前、期间和之后监测开关旗子暗记和ICC电流。
进行浪涌测试以确保IEC 61000-4-5标准所述的性能判据B。
判据B许可暂时损失功能或暂时降落性能，但必须在无需操作职员干预的情形下进行自我规复。

基于CAN FD的浪涌瞬变保护办理方案

EMC瞬态事宜随韶光变革。
必须进行精心设计并确定特性，理解受保护器件的输入/输出级的动态性能，并且利用保护元件，才能确保电路达到EMC标准。
器件数据手册一样平常只包含直流数据，由于动态击穿和I/V特性可能与直流值存在很大差异，因此这些数据没有太多代价。

本文先容具有完全特性的五种不同浪涌办理方案。
每种办理方案都为ADI公司的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收发器供应不同的本钱/保护级别，并利用一系列外部电路保护元件增强了浪涌保护。
利用的两种外部电路保护元件包括瞬态电压抑制器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C和TCLAMP1202P）和晶闸管浪涌保护器（TISP7038L1和TISP4P035L1N）。

TVS保护器件选项

第一种办理方案利用不同的瞬态电压抑制器(TVS)阵列。
由两个双向TVS二极管组成的范例TVS阵列如图3所示。
表2显示了有关防止浪涌瞬变的电压电平、共模电压和封装PCB尺寸的详细信息。

图3.TVS保护方案

TVS是基于硅的器件。
正常事情条件下，TVS具有很高的对地阻抗；空想情形下，它是开路。
保护方法是将瞬态导致的过压箝位到电压限值。
这是通过PN结的低阻抗雪崩击穿实现的。
当产生大于TVS的击穿电压的瞬态电压时，TVS会将瞬态箝位到小于保护器件的击穿电压的预定水平。
瞬变立即受到箝位(< 1 ns)，瞬变电流从受保护器件转移至地。

范例双向TVS的I/V特性如图4所示。
TVS的VRWM必须与CAN FD端口的共模电压匹配。
确保击穿电压VBR在受保护引脚的正常事情范围之外，这一点也很主要。
IPP的RDYN和VCLAMP较低，常日会将大部分浪涌电流分流至地，并将电压箝位到引脚的故障电压以下。

图4.范例双向TVS I/V特性

表2.TVS保护选项

TISP保护器件选项

另一种类型的电涌保护器件是快速规复器件，例如完备集成式浪涌保护器(TISP)。
图5显示了作为外部浪涌保护器件进行研究的两种Bourns TISP。
这些器件供应了更多具有不同共模电压范围和本钱/浪涌性能水平的选项，如表3所示。

图5.TISP保护方案

表3.TISP保护选项

TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限定过压。
作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。
图6显示了器件的电压-电流特性。
在TISP器件切换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。

图6.TISP切换特性和电压限定波形

在限定过压的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换到低压保护打开状态之前，TISP器件处在击穿区域。
当转移电流降落到临界值以下时，TISP器件自动复位，以便规复正常系统运行。

关于这类器件的选择，须要考虑几点。
首先，TISP的击穿电压必须高于端口的共模电压。
此外，TISP具有出色的功率密度效率，常日会供应较高的IPP。
但是，脉冲上升终真个电压过冲可能非常高，并可能破坏被测端口，这常日会限定浪涌保护级别。
不过，在IEC ESD测试期间，TISP的低保持电压可能会导致一些闩锁问题。
此处列出的TISP办理方案已按照IEC 61000-4-2 ESD进行测试，可以肃清此问题。

结论

在设计面向CAN FD网络的EMC兼容办理方案时，紧张难题是让外部保护元件的动态性能与CAN FD收发器输入/输出构造的动态性能相匹配。
文中先容了适用于ADM3055E/ADM3057E隔离旗子暗记和电源CAN FD收发器的五种浪涌保护办理方案，为设计职员供应了多种选项，可根据保护级别、共模范围和本钱哀求进行选择。
表4总结了这些保护器件选项。

虽然这些设计工具不能取代所需的系统级严格评估和专业资质，但能够让设计职员在设计早期降落EMC问题导致的风险，从而避免已知毛病，并缩短整体设计韶光。

表4.针对不同系统哀求和IEC 61000-4-5浪涌级别的浪涌保护办理方案