發布日期：2022-04-17 點擊率：83
在與控制器區域網絡 (CAN) 通信總線互連的汽車和工業系統中，使用的控制器數量正在不斷增加。對于設計人員來說，這意味著他們必須考慮寬頻率范圍內的電噪聲環境——從高頻輻射電磁干擾 (EMI) 到共模傳導干擾，以及電機、繼電器等各種負載的連接和斷開及交流發電機/發電機的啟停引起的電壓尖峰。雖然 CAN 總線適用于惡劣的電氣環境，但如果沒有適當的保護，它們很容易出現各種故障模式。
本文說明了 CAN 故障的潛在原因，并介紹了常見的隔離技術。然后文中介紹了來自 Texas Instruments、RECOM Power、NXP Semiconductors 和 Analog Devices 等供應商的解決方案（設計人員可使用這些解決方案保護 CAN 設備），以及如何有效實施這些解決方案（包括使用評估板）的指導。所提供的解決方案包括分立實施方案（即基于單個 CAN 收發器）以及基于單芯片和雙芯片隔離 CAN 總線設計的集成解決方案。
CAN 總線故障可能由多種原因引起：子系統之間的接地電勢差；共模能量和輻射能量等一般噪聲源；以及配電總線上的高壓噪聲和尖峰。為確保汽車和工業系統中 CAN 總線互連器件的穩健運行，需要兩種隔離類型：
與電源總線隔離
連接各子系統的通信總線的隔離
與集成解決方案相比，電源和信號路徑單獨隔離的解決方案通常成本更低，效率更高。這些解決方案還使設計人員能夠獨立優化兩條路徑的隔離電平。設計人員可自由選擇最適合具體應用的隔離技術類型。選擇包括磁隔離、光隔離和電容隔離。有關各種隔離選擇的詳細討論不在本文的討論范圍內，但為了更好地了解，請參閱“t-galvanic-isolation-technology-for-iot-sensors">如何為物聯網傳感器選擇正確的電隔離技術”。
基本電氣絕緣（使用不允許電流流動的材料）與強化絕緣之間也有區別。所需的絕緣水平取決于所涉及的電壓電平，以及是否存在從可接觸部件到地面的連接。基本絕緣提供一級防電擊保護。電壓大于 60 V DC 或 30 V AC 的系統視為危險系統，需要至少一級保護。系統不一定具有故障保險措施，但任何故障都將限制在系統內。強化或雙重絕緣可提供二級保護。這樣可以在發生故障時確保用戶的安全。系統若接入市電電壓，則要求具有強化絕緣。
CAN 總線系統中的隔離選項包括電源和信號分別隔離的分立解決方案，以及完全集成的電源和信號隔離解決方案。集成解決方案還可包括相關保護功能，如高靜電放電 (ESD) 魯棒性和射頻 (RF) 抗擾度，從而使其可以在汽車和工業應用中使用，而無需額外的保護器件，例如瞬態電壓抑制器二極管。
在這些不同的解決方案選項之間存在尺寸與效率的性能權衡。就解決方案尺寸而言，單芯片解決方案是最小的，典型封裝約為 330 平方毫米 (mm2)。雙芯片解決方案較大，通常約為 875 mm2。由于外部 DC-DC 轉換器和所需支持元器件的尺寸，分立解決方案要大得多，典型尺寸約為 1,600 至 2,000 mm2。
此外，還有效率的權衡，解決方案越大往往效率明顯更高。但是，由于所涉及的功率水平往往相當低（最高 15 毫安 (mA) 下 3 V 至 5 V），因此熱沖擊在設計中可能并不重要。單芯片和雙芯片解決方案的效率范圍為 50% 至 60%，使用外部 DC-DC 轉換器的分立隔離解決方案的效率可高達 75% 至 80%。
隔離式 CAN 收發器是相對簡單的器件，例如 Texas Instruments 的 ISO1042DWR 隔離式 CAN 收發器，其具有 70 V 總線故障保護和靈活的數據速率（圖 1）。ISO1042DWR 器件提供基本或強化隔離選擇。基本 ISO1042 收發器設計用于工業應用。
圖 1：ISO1042 隔離式 CAN 收發器提供基本或強化電隔離選擇。（圖片來源：Texas Instruments）
ISO1042 在 CAN 靈活數據速率 (FD) 模式下支持最高 5 Mbps 的數據速率，數據傳輸速度與傳統 CAN 相比要快得多。該器件使用二氧化硅 (SiO2) 絕緣片，耐壓能力為 5000 Vrms。ISO1042 使設計人員能夠根據個別應用的具體需求選擇最優的總線保護器件。配合隔離式電源使用時，該器件能夠防止數據總線或其它電路中的噪聲電流進入本地接地，以避免干擾或損壞敏感電路。
這些隔離式 CAN 收發器具有多種安全相關的認證；對于任何提供強化和/或基本隔離選項的器件而言，這些都是重要的安全標準和認證）：
符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01 的 7071-VPK VIOTM 和 1500-VPK VIORM（強化和基本選項）
根據 UL 1577 標準長達 1 分鐘的 5000-VRMS 隔離能力
IEC 60950-1、IEC 60601-1 和 EN 61010-1 認證
CQC、TUV 和 CSA 認證
對于考慮 ISO1042 的設計人員，有兩種評估板選擇。Texas Instruments 提供的 ISO1042DWEVM 評估模塊使工程師能夠評估采用 16 引腳寬體 SOIC 封裝（封裝代碼 DW）的高性能、強化隔離型 CAN ISO1042。EVM 是一種雙芯片解決方案，具有足夠的測試點和跳線選項，可以用最少的外部元器件來評估器件。
RECOM Power 面向 ISO1042 提供了 R-REF03-CAN1 評估板。R-REF03-CAN1 評估板展示了由 R1SX-3.305/H 隔離式 DC-DC 轉換器供電的 ISO1042 隔離式 CAN 收發器。要為參考板供電，僅需要一個 3.3 V 外部電源。通過該參考板，設計人員能夠快速開發和分析隔離系統。
Texas Instruments 的 ISO1042 專為工業 CAN 應用而優化，而 NXP 的 TJA1052i 高速 CAN 收發器則專門針對電動汽車 (EV) 和混合動力汽車 (HEV)，它們的高低壓部件之間需要電隔離柵（圖 2）。
圖 2：NXP 的 TJA1052i 針對電動和混合動力車輛進行了優化。（圖片來源：NXP Semiconductors）
TJA1052i 設計用于鋰離子 (Li-ion) 電池管理、再生制動和 48 V 至 12 V 電平位移。該器件還可用于皮帶淘汰項目中高壓按需泵和電機的隔離。通過 AEC-Q100 認證的 TJA1052i 實現了 ISO 11898-2:2016 和 SAE J2284-1 至 SAE J2284-5 中定義的 CAN 物理層 (PHY)。目前提供三種隔離級別：1 kV、2.5 kV 和 5 kV。與 ISO1042 一樣，TJA1052i 也需要外部隔離電源。
雖然分立 DC-DC 轉換器實施方案通常比集成方案效率更高，但集成解決方案具有以下優點：
電路板面積小
認證更容易
設計簡單
Analog Devices 的 ADM3055E/ADM3057E 是 5 kV rms 和 3 kV rms 隔離式 CAN 收發器，帶有集成隔離式 DC-DC 轉換器（圖 3）。
圖 3：ADM3055E/ADM3057E 隔離式 CAN 收發器集成電源和信號隔離。（圖片來源：Analog Devices）
這些器件采用 5 V 單電源供電，為 CAN 和 CAN FD 提供了完全隔離的解決方案。通過連續調整開關頻率，DC-DC 轉換器高頻開關的輻射性放射被限制在 EN 55022 B 類限值以下。有關 5 kV rms 隔離電壓、10 kV 浪涌測試及 8.3 mm 爬電距離和間隙的安全與監管認證（在撰寫本文時待批），可確保 ADM3055E 滿足應用的強化隔離要求。ADM3057E 采用 20 引線寬體 SOIC 封裝，具有 3 kV rms 的隔離電壓和 7.8 mm 的爬電距離。
為了支持基于 ADM3055E/ADM3057E 的設計開發工作，Analog Devices 提供了 val-ADM3055EEBZ/eval-ADM3055EEBZ-ND/9607391">eval-ADM3055EEBZ 評估板。ADM3055E 和 ADM3057E 集成了邏輯側開關鍵控 (OOK) 信號隔離通道和 Analog Devices 的 isoPower DC-DC 轉換器，在采用表面貼裝鐵氧體磁珠的雙層印刷電路 (pc) 板上傳輸時，可提供遠低于 EN55022 B 類限值的穩壓隔離電源。
Texas Instruments 提供了一種不同的 CAN 通信電源和信號隔離方法，該方法基于雙芯片解決方案，其中使用雙通道隔離數據和電源器件 ISOW7841，以及 CAN 收發器 TCAN1042H（圖 4）。
圖 4：這種雙芯片解決方案在一個芯片（左）中提供電源和信號隔離，在第二個芯片（右）中提供 CAN 通信。（圖片來源：Texas Instruments）
在 ISOW7841 芯片內部集成變壓器，不僅在 x 和 y 維度上，而且在 z（高度）維度上也節省了空間。要評估 ISOW7841，可使用 ISOW7841EVM 評估模塊。當使用兩個芯片時，可以將 ISOW7841 器件放在電路板的一側，而將 CAN 器件放在另一側，從而減少電路板的整體空間。
這種雙芯片解決方案使得在設計上不需要任何額外元器件來產生隔離電源，相比使用分立變壓器產生所需隔離電源的解決方案，該隔離解決方案的尺寸不到其四分之一。一個相關的參考設計采用 3 V 至 5.5 V 的單電源輸入，數字信號參考電路板一側的輸入電源電平。然后，ISOW7841 利用集成的 DC-DC 轉換器產生隔離電源，用于為電路板另一側的 CAN 收發器供電。電路板電源側的信號被隔離并連接到 CAN 收發器，后者將單端數字信號轉換為差分 CAN 格式。
為了保護 CAN 總線免受子系統之間的接地電勢差、共模能量和輻射能量等一般噪聲源，以及配電總線上的高壓噪聲和尖峰導致的潛在故障影響，電源和信號隔離必不可少。
如上所述，CAN 總線系統的隔離選擇包括電源和信號單獨隔離的分立解決方案，以及完全集成的電源和信號隔離解決方案，后者還可包括相關保護功能，從而使其可以在汽車和工業應用中使用，而無需額外的保護器件，例如抑制二極管。
1)如何為物聯網傳感器選擇正確的電隔離技術
2)應用最新的 CAN 總線增強功能，實現安全可靠的高速汽車通信
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