1 應(yīng)用簡報(bào)

引言：

隨著信號(hào)隔離在許多工業(yè)和汽車應(yīng)用中的使用增加，對(duì)隔離電源的需求也增加了。一旦隔離柵任一側(cè)的電源短路，隔離帶來的好處就會(huì)喪失。同時(shí)，如果設(shè)計(jì)隔離電源子系統(tǒng)時(shí)不考慮仔細(xì)，則會(huì)影響整體系統(tǒng)性能，如電源傳輸效率低導(dǎo)致的溫升、輻射導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損壞等。為了簡化隔離式 CAN 子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，本文檔提供了多種隔離 CAN 信號(hào)和電源的方案（分立式和集成式）。

隔離電源的分立式實(shí)現(xiàn)：

圖 1 所示為隔離式 CAN 子系統(tǒng)的分立式信號(hào)和電源隔離方案的示例。隔離式 CAN 功能是通過一個(gè)數(shù)字隔離器 ISO7721 以及一個(gè)帶靈活數(shù)據(jù)速率和故障保護(hù)的 CAN 收發(fā)器 TCAN1042H 來實(shí)現(xiàn)的，其中數(shù)字隔離器在每個(gè)方向?yàn)榘l(fā)送 (TXD) 和接收 (RXD) 信號(hào)提供一個(gè)通道。

SN6501 是一款推挽式變壓器驅(qū)動(dòng)器，可與外部變壓器、整流二極管和 LDO 結(jié)合使用以產(chǎn)生隔離電源。根據(jù)調(diào)節(jié)需要，LDO 為可選件。對(duì)于變壓器初級(jí)側(cè)最高 350mA 的變壓器驅(qū)動(dòng)器電流而言，SN6501 足以滿足要求。如果需要更大的驅(qū)動(dòng)電流，1A 驅(qū)動(dòng)電流的 SN6505A 或者 SN6505B 可能更合適。

將圖 1 中的分立式隔離器和 CAN 替換為隔離式 CAN 器件，則可實(shí)現(xiàn)如圖 2 所示的簡化信號(hào)鏈。隔離式電源解決方案與之前的分立式實(shí)現(xiàn)方案相同。本設(shè)計(jì)中的隔離式 CAN 器件 ISO1042 使器件數(shù)量減少了一個(gè)，縮短了循環(huán)時(shí)間，同時(shí)提供了高級(jí)別的保護(hù)。該解決方案具有先前分立解決方案的所有優(yōu)點(diǎn)，卻沒有任何其他缺點(diǎn)。

如果系統(tǒng)中有多個(gè)隔離式 CAN 器件由同一個(gè)隔離式電源供電，則該架構(gòu)可使信號(hào)鏈部分變得緊湊，因?yàn)?LDO 的輸出可用于為所有隔離式 CAN 器件供電。TIDA-01255 是分立式實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)參考設(shè)計(jì)，適用于汽車和工業(yè) CAN 系統(tǒng)。

• 該解決方案的優(yōu)勢：
  • 采用外部變壓器，功率傳輸效率更高（約 70% 至 80%）。
  • 通過降低變壓器驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率，盡可能減少輻射。
  • 可靈活使用任何 CAN 收發(fā)器或數(shù)字隔離器或單片隔離式 CAN。
  • 隔離式電源能夠?yàn)槎鄠€(gè)隔離式 CAN 收發(fā)器提供電流。
  圖 1-1 隔離式電源的分立式實(shí)現(xiàn)：
  圖 1-2 帶隔離式 CAN 收發(fā)器的隔離式 CAN 子系統(tǒng)的分立式實(shí)現(xiàn)

• 該解決方案的缺點(diǎn)：
  • 采用分立式元件，占用的布板空間更大。
  • 變壓器體積大且需要更高的高度，這限制了電路板堆疊的緊密度。
  • 每個(gè)隔離元件都需要單獨(dú)認(rèn)證。

帶隔離式電源的隔離式 CAN：

隔離式 CAN 和電源的功能同樣可以用 ISOW1044 來實(shí)現(xiàn)。ISOW1044 是一款將所有隔離功能和 CAN FD 收發(fā)器集成到單個(gè) 20-SOIC 封裝中的器件，如圖 1-3所示。ISOW1044 在芯片內(nèi)部集成變壓器，這不僅在 X 和 Y 維度上節(jié)省了空間，在 Z（高度）維度上也是如此。此外，ISOW1044 包含一個(gè)單獨(dú)的 10Mbps GPIO 通道，有助于進(jìn)一步去除板上其他數(shù)字隔離器或光耦合器。

圖 1-3 隔離式 CAN 子系統(tǒng)的集成式實(shí)現(xiàn)：

• 該解決方案的優(yōu)勢：
  • 緊湊型解決方案，所需高度更低。
  • 只有一個(gè)隔離元件，易于認(rèn)證和設(shè)計(jì)。
  • 減輕了尋找合適額定值的變壓器的負(fù)擔(dān)。
  • 低輻射設(shè)計(jì)，確保最終系統(tǒng)能夠在兩層 PCB 上僅使用兩個(gè)鐵氧體磁珠就滿足 CISPR 32 B 類設(shè)備輻射限制要求。
• 該解決方案的缺點(diǎn)：
  • 采用片上變壓器，將功率傳輸效率限制在 47%。
  • 采用集成式變壓器，開關(guān)頻率更高，因此輻射通常高于分立式實(shí)現(xiàn)。
  • 最適合從根本上而言單個(gè) CAN 接口需要隔離式電源的系統(tǒng)，因?yàn)樵撈骷H為內(nèi)部 CAN 收發(fā)器生成隔離電源，額外輸出電流最高 20mA。

特例

在分立式或集成式隔離電源實(shí)現(xiàn)方案中，可能存在 3.3V 或 5V 電源無法為初級(jí)側(cè)供電的情況。例如，PLC 應(yīng)用可能使用一個(gè) 24V 的電源，而汽車應(yīng)用可能有一個(gè) 12V 的電池。在這樣的情況下，可在變壓器驅(qū)動(dòng)器 SN650x 之前添加一個(gè)合適的 LDO，以將電壓降至變壓器驅(qū)動(dòng)器所需的 5V，如圖 4 所示。變壓器由高壓電源驅(qū)動(dòng)，可選擇匝比以在次級(jí)側(cè)提供 5V 電壓來為隔離式 CAN 供電。變壓器中心抽頭連接的電壓高于 SN650x 的額定值，因此采用高壓 FET 來保護(hù)變壓器驅(qū)動(dòng)器的輸出 D1 和 D2。必須注意 FET 的大小，使 R_DS(ON) 盡可能低，以減少效率損失。

圖 1-4 高初級(jí)側(cè)電壓

結(jié)論

選擇合適的元件對(duì)于隔離式 CAN 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。選擇分立式還是集成式解決方案取決于尺寸、設(shè)計(jì)的簡易性與效率、輻射之間的權(quán)衡。隔離式電源的分立式實(shí)現(xiàn)可提供更高電源傳輸效率和更低輻射，而集成解決方案為空間敏感型應(yīng)用提供了一個(gè)緊湊型方案。