如何使用电源和信号隔离确保CAN总线实现可靠运行

　　在与控制器区域网络 （CAN） 通信总线互连的汽车和工业系统中，使用的控制器数量正在不断增加。对于设计人员来说，这意味着他们必须考虑宽频率范围内的电噪声环境——从高频辐射电磁干扰 （EMI） 到共模传导干扰，以及电机、继电器等各种负载的连接和断开及交流发电机 / 发电机的启停引起的电压尖峰。虽然 CAN 总线适用于恶劣的电气环境，但如果没有适当的保护，它们很容易出现各种故障模式。本文说明了 CAN 故障的潜在原因，并介绍了常见的隔离技术。然后文中介绍了来自 Texas Instruments、RECOM Power、 NXP Semiconductors 和 Analog Devices 等供应商的解决方案（设计人员可使用这些解决方案保护 CAN 设备），以及如何有效实施这些解决方案（包括使用评估板）的指导。提供的解决方案包括分立实施方案（即基于单个 CAN 收发器）以及基于单芯片和双芯片隔离 CAN 总线设计的集成解决方案。

　　故障的原因和隔离的必要性

　　CAN 总线故障可能由多种原因引起：子系统之间的接地电势差；共模能量和辐射能量等一般噪声源；以及配电总线上的高压噪声和尖峰。为确保汽车和工业系统中 CAN 总线互连器件的稳健运行，需要两种隔离类型：

　　与电源总线隔离

　　连接各子系统的通信总线的隔离与集成解决方案相比，电源和信号路径单独隔离的解决方案通常成本更低，效率更高。这些解决方案还使设计人员能够独立优化两条路径的隔离电平。设计人员可自由选择最适合具体应用的隔离技术类型。选择包括磁隔离、光隔离和电容隔离。有关各种隔离选择的详细讨论不在本文的讨论范围内，但为了更好地了解，请参阅“How to Select the Right Galvanic Isolation Technology for IoT Sensors”。基本电气绝缘（使用绝缘材料）与强化绝缘之间也有区别。所需的绝缘水平取决于所涉及的电压电平，以及是否存在从可接触部件到地面的连接。基本绝缘提供一级防电击保护。 电压大于 60 V DC 或 30 V AC 的系统视为危险系统，需要至少一级保护。系统不一定具有故障保险措施，但任何故障都将限制在系统内。强化或双重绝缘可提供两级保护。这样可以在发生故障时确保用户的安全。接入市电电压的系统要求具有强化绝缘。

　　隔离解决方案之间的设计权衡

　　CAN 总线系统中的隔离选项包括电源和信号分别隔离的分立解决方案，以及完全集成的电源和信号隔离解决方案。集成解决方案还可包括相关保护功能，如高静电放电 （ESD） 鲁棒性和射频 （RF） 抗扰度，从而使其可以在汽车和工业应用中使用，而无需额外的保护器件，例如瞬态电压抑制器二极管。在这些不同的解决方案选项之间存在尺寸与效率的性能权衡。就解决方案尺寸而言，单芯片解决方案是最小的，典型封装约为 330 平方毫米 （mm2）。双芯片解决方案较大，通常约为 875 mm2。由于外部 DC-DC 转换器和所需支持元器件的尺寸，分立解决方案要大得多，典型尺寸约为 1，600 至 2，000 mm2。此外，还有效率的权衡，解决方案越大往往效率明显更高。但是，由于所涉及的功率水平往往相当低（最高 15 毫安 （mA） 下 3 至 5 V），因此热冲击在设计中可能并不重要。单芯片和双芯片解决方案的效率范围为 50% 至 60%，使用外部 DC-DC 转换器的分立隔离解决方案的效率可高达 75% 至 80%。

　　CAN 收发器的分立隔离解决方案

　　隔离式 CAN 收发器是相对简单的器件。例如，考虑一下 Texas Instruments 的 ISO1042DWR 隔离式 CAN 收发器，其具有 70 V 总线故障保护和灵活的数据速率（图 1）。该 ISO1042DWR 器件提供基本或强化隔离选择。基本 ISO1042 收发器设计用于工业应用。