【技术笔记】总线隔离后如何接地？-下篇

时间：2021-08-19 16:29:55

关键字：总线接地隔离

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[导读]在《总线隔离后如何接地-上篇》已为大家介绍隔离后接地的ESD作用机理，那么面对总线隔离后由于接地而出现的通讯异常问题该如何改善，本文将为大家介绍对应的改善措施以及电路作用详解。前言为保证总线网络的通讯稳定性，通讯接口通常会做隔离，隔离的主要目的：安规考虑：保护设备及人身安全，...

在《总线隔离后如何接地-上篇》已为大家介绍隔离后接地的ESD作用机理，那么面对总线隔离后由于接地而出现的通讯异常问题该如何改善，本文将为大家介绍对应的改善措施以及电路作用详解。

前言为保证总线网络的通讯稳定性，通讯接口通常会做隔离，隔离的主要目的：

安规考虑：保护设备及人身安全，隔开潜在的高压危险；
提高通信的稳定性：消除地电势差的影响；
提高器件的可靠性：消除地环路影响；
低耦合：提高系统间的兼容性；

总线隔离接地建议针对《总线隔离后如何接地？-上篇》上述两种情况，隔离接口模块需要得到有效的静电保护，建议进行隔离接口设计时，增加Cp、Rp以及TVS，提高隔离接口的ESD抗扰能力。

电容Cp的作用：减轻隔离栅的压力，为静电能量提供一个低阻抗的路径，静电能量大部分通过此电容泄放，为达到良好效果，Cp容值应远大于Ciso，建议取100pF~1000pF之间；
TVS管的作用：对于总线侧的静电，静电能量会通过防护器件泄放，注意：其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压，同时大于信号电压；在通信速率高、或节点数较多时，也需要注意尽量选取等效电容小的器件，以免影响总线正常通信。

注意：若产品无安规要求，可与Cp并联一个大阻值泄放电阻，如1M，以防静电积累；若有安规要求，一般需要去除泄放电阻，同时选择安规电容。

完善的总线接口保护电路前面只是对ESD的作用机理进行了分析，但随着工业产品对通信接口的EMC等级要求越来越高。许多应用要求满足IEC61000-4-2静电放电4级，IEC61000-4-5浪涌抗扰4级要求。一般的收发器ESD、浪涌的防护等级均比较低，如CTM1051M隔离CAN收么器的隔离耐压为2500VDC，裸机情况下，ESD、浪涌等级均较低。所以有必要增加外围电路，提高通信端口的EMC等级。

以CAN总线为例，上图为完善的外围推荐电路。其中GDT置于最前端，提供一级防护，当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整，R3 与 R4 建议选用 PTC，D1~D6 建议选用快恢复二极管，参数表如下。

另外，另一种方案则是采用ZLG的SP00S12浪涌保护模块，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护。搭配ZLG的全隔离CTM或SC系列的隔离CAN收发器，如下图。可极大程度的提升产品的集成度，于此同时极大程度的缩小开发周期。

阻容回路接地的必要性前面讲述了总线隔离之后接地的原理以及推荐电路，想必大家已经很清楚了，在现场，很多客户会提到总线隔离之后为什么需要阻容接地呢？这里给大家简单描述一下：

电容：从EMS（电磁抗扰度）角度说，这个电容是在假设PE良好连接大地的前提下，降低可能存在的影响（以大地电平为参考的高频干扰信号对电路的影响），是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实GND直连PE是最好的，但是，直连可能不可操作或者不安全。从EMI（电磁干扰）角度说，如果有与PE相连的金属外壳，有这个高频路径，也能够避免高频信号辐射出来；
1M电阻：这是对付ESD（静电放电）测试用的。因为这种用电容连接PE和GND的系统（浮地系统），在做ESD测试的时候，打入被测电路的电荷无处释放，会逐渐累积，抬升或降低GND相对PE的电平，累积到一定程度，超过了PE和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围，GND和PE之间就会放电，几个纳秒间，在PCB上的产生数十到数百安培的电流，这足以让任何电路因EMP（电磁脉冲）宕机，或者是让PE与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。但是有时候又不能直接连接PE和GND，那么就用一个1~2M的电阻去慢慢释放这个电荷，以消除二者间的压差。当然1~2M这个数值是根据ESD测试标准选择的，因为IEC61000里面规定最高的重复次数只有10次/秒，如果你搞个1000次/秒的非标ESD放电，那么1~2M的电阻我觉得是不能释放掉累积的电荷的。

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