總線浪涌防護方案詳解

一、浪涌對電路的影響

浪涌包括浪涌電流、浪涌電壓，它是指電路中瞬間出現超過正常工作電壓、電流的現象。在工業通訊現場，雷電過電壓、落雷引發出的誘導雷浪涌，還有電源系統（特別是帶很重的感性負載）開關切換引起的浪涌，這些浪涌產生的瞬態過壓和過流，會導致數據總線通訊網絡癱瘓甚至使元器件發出錯誤的信號，會給用戶帶來很大的損失。

表1  幾種瞬態騷擾的比較

先了解幾種典型的瞬態騷擾：從表中可知，浪涌的能量最高，過電流最大，因此危害性也是最大。

浪涌的形成有兩個類型：一個是共模，一個差模。雷電或大電流切換時產生的浪涌一般是共模的；差模形式的浪涌往往是由于數據電纜附近有高壓線經過，數據線纜和高壓線之間因絕緣不良而產生的，會在數據通信網絡中較長時間內穩定存在。光耦或磁耦器件標稱的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過這個耐壓，前端后端都一起燒壞；元器件不會標稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設計決定，差模電壓超過電路承受范圍，前端燒壞，后端不會燒壞。

目前總線浪涌防護方案有兩種：采用分立元器件搭建或采用集成模塊。

二、常規浪涌防護方案-分立方案

許多應用要求滿足IEC61000-4-2靜電放電4級，IEC61000-4-5浪涌抗擾4級要求。一般的收發器ESD、浪涌的防護等級均比較低，如CTM1051M隔離CAN收么器的隔離耐壓為2500VDC，裸機情況下，ESD、浪涌等級均較低，所以有必要增加外圍電路。

防浪涌電路通常分為：隔離法和規避法

l隔離法：采用光耦合器或磁耦合器，將輸入和輸出信號隔離分開，這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。

l規避法：主設備的地連在一起形成單點接地，一旦有浪涌出現就可安全轉移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件，主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管。

如果將隔離法和規避法相結合，就可以更好地保護系統。規避器件一方面可抑制浪涌保護隔離器件，也可以抑制總線上產生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護主設備。兩者相輔相成，能夠更好地保護總線設備。以CAN總線為例，下圖是分立元器件形成的外圍保護電路。

圖1  CAN總線推薦保護電路

其中GDT置于最前端，提供一級防護，當雷擊、浪涌產生時，GDT瞬間達到低阻狀態，為瞬時大電流提供泄放通道，將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏范圍內。實際取值可根據防護等級及器件成本綜合考慮進行調整，R3 與 R4 建議選用 PTC，D1~D6 建議選用快恢復二極管。參數表如下。

表2  參數推薦表

三、高效浪涌防護方案-模塊方案

分立元器件方案雖然能夠提供有效的防護，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數選擇不合適易造成EMC問題。有沒有更簡潔的防護設計呢？答案是肯定的。可選擇引入專業的信號浪涌抑制器SP00S12，可用于各種信號傳輸系統，抑制雷擊、浪涌、過壓等有害信號，對設備信號端口進行保護。搭配ZLG的全隔離CTM或SC系列的隔離CAN收發器，如下圖。可極大程度的提升產品的集成度，于此同時極大程度的縮小開發周期。

圖2  模塊方案

四、方案對比和浪涌抗擾度測試

前面講到總線浪涌防護方案有兩種，接下來總結一下：

l分立元器件方案：電子器件多、搭建麻煩、復雜、占用PCB空間、易造成EMC問題；

l模塊方案：使用方便、節省PCB空間、簡化電路；

接下來做一下浪涌抗擾度測試，檢驗一下浪涌抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護要求，以共模浪涌測試為例，在SP00S12輸入端加載4KV、1.2/50μs 浪涌電壓，在輸出端測試壓降已被降低至17.1V，波形圖如下。

圖3  輸入端電壓波形4KV

圖4  輸出端波形電壓17.1V

由此可見，在收發器與CAN總線間添加 SP00S12，可使 CAN 信號端口輕松滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。

采用一體化的高浪涌防護隔離CAN收發器可以完全代替隔離CAN收發器與浪涌抑制器的組合，如下圖。此方案將最大限度簡化電路設計、節省PCB空間、降低產品成本。它能夠防護4KV浪涌、15KV靜電的同時還具備極佳的EMC特性。

圖5  一體化隔離方案