隔离接地的原理、完善总线接口保护电路及阻容回路接地的必要性

CAN与485都是工业通信中常用的现场总线，各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉，但可能会遇到总线采用了隔离方案依旧通讯异常的情况，本文将带您一起探讨总线隔离后该如何接地？

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。

目前实现总线隔离有两种方案：采用分立元器件搭建或采用集成模块。

隔离接地的原理

总线增加隔离固然可以保证总线稳定可靠地通信，但是带隔离通信接口的设备，在复杂的环境或安装状态下，接口会表现出完全不同的ESD特性，了解ESD对接口的影响机理，才能有针对性地增加保护器件，提升隔离接口的ESD能力。下面以带有隔离CAN或RS-485通信接口为例，对常见的设备状态下，ESD的作用机理进行分析，并提出相应的改善措施。

1、总线侧悬空

此状态下，设备控制侧有接入保护地（PE），总线侧参考地悬空，与PE无任何连接，如下图1。

图1

接下来进行分析：

假设控制侧均做了足够的保护措施，当控制侧接口受到静电放电时，能量通过控制侧保护器泄放至PE，对隔离通信接口基本无影响，如下面图2。

当总线接口受到静电放电时，由于总线侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，仅有几皮法至十几皮法，Ciso被迅速充电，两端电压Viso会非常高，几乎等同于放电电压，电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏，如下面图3。

注意：对于一般的隔离接口模块，隔离栅可承受的静电放电电压只有4kV，对于更高等级的6kV或8kV的静电来说是非常脆弱的，极易出现损坏情况。

图2

图3

2、设备控制测悬空

此状态下，设备控制侧参考地悬空，与PE无任何连接，总线侧有接入保护地（PE），如下图4。

图4

接下来进行分析：

当总线侧接口受到静电放电时，静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至PE，但若ESD能量超出了接口模块内部总线侧器件的ESD抗扰能力，总线接口则可能损坏，如下面图5。

当控制侧接口受到静电放电时，由于控制侧悬空，能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放，由于Ciso非常小，两端电压Viso会非常高，电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅，若电压超出了隔离栅的电压承受范围，则会导致内部隔离栅损坏，如下面图6。

图5

图6

3、改善措施

针对上述两种情况，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。

图7

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收发器的隔离耐压为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。

图8

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。

表1 推荐参数表

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。

图9

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：

1、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。

2、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。