【導讀】在工業
、汽車和儀器儀表應用中，因操作不當、存在電氣噪聲的操作環境，甚至雷擊造成的大瞬態電壓可能會形成巨大壓力，導致通信端口和基礎電子設備受損。對此，ADI推出了信號和電源隔離式ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器，能夠承受其中許多瞬態電壓，並保護敏感的電子設備。

根據IEC標準和瞬態電壓大小
，瞬態電壓可分為靜電放電(ESD)、電快速瞬變脈衝群(EFT)和浪湧。通過ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器的片內集成保護，可實現4級IEC 61000-4-2 ESD保護、IEC 61000-4-4 EFT抗擾度和4級+跨柵IEC 61000-4-5浪湧保護。

當跨柵浪湧通過iCoupler®隔離柵吸收時，通過總線側接地返回的浪湧會在收發器上耗散大量功率，除非將這些浪湧轉移。本文將介紹ADM3055E/ADM3057E收發器CAN FD端口上IEC 61000-4-5浪湧保護的解決方案。根據所需浪湧保護級別、共模範圍要求和可用PCB麵積
，確定了設計選項的特性。

本文提及的組件測試使用ADM3055E/ADM3057E進行
，其他器件（ADM3050E

、ADM3056E和ADM3058E）將共用一個收發器芯片。

概述

CAN FD標準

CAN FD(具有靈活數據速率的控製器局域網)是內置故障處理功能的分布式通信的標準，該標準詳細描述了基於ISO-118981-2:2016開放係統互連(OSI)模型的物理和數據鏈路層規定相關要求。CAN FD最初專為汽車應用開發，由於其所用通信機製具有一些固有優勢
，因而廣泛應用於工業和儀器儀表領域。

ADM3055E/ADM3057E隔離信號和電源收發器的擴展共模範圍為±25V。共模範圍超過ISO 11898-2:2016的要求，即使網絡節點之間存在較大的接地失調
，也能提供可靠的通信。在全速模式下，該隔離型收發器也大大超過ISO 11898-2:2016deshixuyaoqiu。dihuanluyanchishishejirenyuannenggoujiangmeiweidedabufenyongyujianlishijian。kuozhandegongmofanweiheshixuguifanzhichigongyeyingyongshixiangengkekaodeyuanchengtongxin。

有關CAN FD的更多信息，請參閱AN-1123。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器

在現場安裝中，直接接觸、電線損壞、感應開關
、電源波動、dianhushenzhifujindeleijidouyoukenengduiwangluozaochengsunhuai。shejirenyuanbixuquebaoshebeibujinnengzailixiangtiaojianxiagongzuo，erqienenggouzaieliedexianshihuanjingzhongkekaoyunxing。weilequebaozhexieshejinenggouzaidianqitiaojianeliedehuanjingxiagongzuo
，gegezhengfujigouhejianguanjigoutuixingleEMC法規。如果設計的產品符合這些法規

，終端用戶就會確信它們在惡劣的電磁環境下也能正常工作。

隔離信號和電源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器是一款CAN FD物理層收發器。該器件采用ADI公司的iCoupler技術，將3通道隔離器、CAN FD收發器和ADI公司的isoPower^®隔離型DC/DC轉換器集成於單個表貼式小尺寸集成電路(SOIC_IC)封裝中。

EFT和ESD瞬變具有相似的能量水平
，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT防護通過片內保護結構實現。浪湧波形的能量水平要高很多，浪湧瞬態電壓可以施加於隔離柵或收發器裸片。集成的iCoupler隔離柵技術為跨柵發生的浪湧瞬變提供了更強的保護。集成保護級別見表1。保護收發器免受高水平浪湧的影響需要外部保護器件，本文中將對此進行討論。

表1.ADM3055E/ADM3057E的ESD和EFT保護級別

浪湧抗擾度測試

浪湧瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力係統切換、配電係統中的負載變化或各種係統故障（例如安裝時與接地係統形成短路和電弧故障）。雷電瞬變的起因可能是附近的雷擊將較高的電流和電壓注入電路中。IEC 61000-4-5定義了在容易受到這些浪湧現象影響的情況下用於評估電子電氣設備抗擾度的波形、測試方法和測試級別。

圖1顯示了1.2µs/50µs浪湧瞬變波形。標準的波形由波形發生器產生，用於表征開路電壓和短路電流事件。浪湧瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變，其能量水平比ESD或EFT脈衝中的能量大三到四個數量級。因此，由於其高能量，通常需要外部保護器件來提高浪湧抗擾度水平。

圖1.IEC 61000-4-5浪湧1.2µs/50µs波形

圖2顯示了本應用筆記中用於浪湧測試的CAN端口的耦合網絡。電阻並聯總和為40Ω。對於半雙工器件
，各電阻為80Ω。請注意，浪湧測試期間還包括高速CAN總線的終端網絡。

圖2.適用於CAN FD收發器的浪湧耦合網絡

浪湧測試期間，將10個正脈衝和10個負脈衝施加於數據端口
，各脈衝最長間隔時間為10秒鍾。在測試期間，器件在三種條件下進行設置，即未通電模式
、正常工作模式和待機模式。在施加浪湧脈衝應力之前和之後檢查CANH和CANL引腳上的泄漏
，同時在測試之前、期間和之後監測開關信號和ICC電流。進行浪湧測試以確保IEC 61000-4-5標準所述的性能判據B。判據B允許暫時喪失功能或暫時降低性能
，但必須在無需操作人員幹預的情況下進行自我恢複。

基於CAN FD的浪湧瞬變保護解決方案

EMC瞬態事件隨時間變化。必須進行精心設計並確定特性，了解受保護器件的輸入/輸出級的動態性能

，並且使用保護元件

，才能確保電路達到EMC標準。器件數據手冊一般隻包含直流數據，由於動態擊穿和I/V特性可能與直流值存在很大差異，因此這些數據沒有太多價值。

本文介紹具有完整特性的五種不同浪湧解決方案。每種解決方案都為ADI公司的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器提供不同的成本/保護級別
，並使用一係列外部電路保護元件增強了浪湧保護。使用的兩種外部電路保護元件包括瞬態電壓抑製器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C和TCLAMP1202P）和晶閘管浪湧保護器（TISP7038L1和TISP4P035L1N）。

TVS保護器件選項

第一種解決方案使用不同的瞬態電壓抑製器(TVS)陣列。由兩個雙向TVS二極管組成的典型TVS陣列如圖3所示。表2顯示了有關防止浪湧瞬變的電壓電平、共模電壓和封裝PCB尺寸的詳細信息。

圖3.TVS保護方案

TVS是基於矽的器件。正常工作條件下，TVS具有很高的對地阻抗；理想情況下
，它是開路。保護方法是將瞬態導致的過壓箝位到電壓限值。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿實現的。當產生大於TVS的擊穿電壓的瞬態電壓時
，TVS會將瞬態箝位到小於保護器件的擊穿電壓的預定水平。瞬變立即受到箝位(< 1 ns)，瞬變電流從受保護器件轉移至地。

典型雙向TVS的I/V特性如圖4所示。TVS的VRWM必須與CAN FD端口的共模電壓匹配。確保擊穿電壓VBR在受保護引腳的正常工作範圍之外，這一點也很重要。I_PP的R_DYN和V_CLAMP較低，通常會將大部分浪湧電流分流至地，並將電壓箝位到引腳的故障電壓以下。

圖4.典型雙向TVS I/V特性

表2.TVS保護選項

TISP保護器件選項

另一種類型的電湧保護器件是快速恢複器件
，例如完全集成式浪湧保護器(TISP)。圖5顯示了作為外部浪湧保護器件進行研究的兩種Bourns TISP。這些器件提供了更多具有不同共模電壓範圍和成本/浪湧性能水平的選項，如表3所示。

圖5.TISP保護方案

表3.TISP保護選項

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產生的電流來限製過壓。作為晶閘管，TISP具有非連續電壓-電流特性，它是由於高電壓區和低電壓區之間的切換動作而導致的。圖6顯示了器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態之前，它具有低阻抗接地路徑以分流瞬變能量，雪崩擊穿區域則導致了箝位動作。

圖6.TISP切換特性和電壓限製波形

在限製過壓的過程中，受保護電路短暫暴露在高壓下，因而在切換到低壓保護打開狀態之前，TISP器件處在擊穿區域。當轉移電流降低到臨界值以下時
，TISP器件自動複位，以便恢複正常係統運行。

關於這類器件的選擇，需要考慮幾點。首先，TISP的擊穿電壓必須高於端口的共模電壓。此外，TISP具有出色的功率密度效率，通常會提供較高的IPP。但是
，脈衝上升終端的電壓過衝可能非常高，並可能損壞被測端口，這通常會限製浪湧保護級別。不過
，在IEC ESD測試期間，TISP的低保持電壓可能會導致一些閂鎖問題。此處列出的TISP解決方案已按照IEC 61000-4-2 ESD進行測試
，可以消除此問題。

結論

在設計麵向CAN FD網絡的EMC兼容解決方案時，主要難題是讓外部保護元件的動態性能與CAN FD收發器輸入/輸出結構的動態性能相匹配。文中介紹了適用於ADM3055E/ADM3057E隔離信號和電源CAN FD收發器的五種浪湧保護解決方案

，為設計人員提供了多種選項，可根據保護級別、共模範圍和成本要求進行選擇。表4總結了這些保護器件選項。

雖然這些設計工具不能取代所需的係統級嚴格評估和專業資質，但能夠讓設計人員在設計早期降低EMC問題導致的風險，從而避免已知缺陷，並縮短整體設計時間。

表4.針對不同係統要求和IEC 61000-4-5浪湧級別的浪湧保護解決方案

關於ADI公司

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