1 應(yīng)用簡(jiǎn)介

引言

控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線標(biāo)準(zhǔn)自 20 世紀(jì) 80 年代最初為汽車市場(chǎng)開發(fā)以來，已被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。該協(xié)議的主要特點(diǎn)，例如錯(cuò)誤檢測(cè)、優(yōu)先級(jí)和仲裁，使 CAN 成為汽車的理想選擇，也為安全性和可靠性至關(guān)重要的工業(yè)應(yīng)用帶來了優(yōu)勢(shì)。CAN 現(xiàn)在廣泛用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如電梯、自動(dòng)扶梯、樓宇自動(dòng)化、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動(dòng)化、工業(yè)運(yùn)輸和電力輸送。隨著這些應(yīng)用在每一代都朝著更高性能和更小的解決方案尺寸發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著在不影響性能的情況下縮小設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

其中許多應(yīng)用涉及不同電壓域之間的通信，需要對(duì)這些 CAN 端口進(jìn)行隔離。在工業(yè)應(yīng)用中隔離 CAN 端口的另外兩個(gè)常見原因是防止節(jié)點(diǎn)之間的接地電位差 (GPD) 或提高電磁兼容性 (EMC)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的距離變大或共模噪聲在嘈雜環(huán)境中耦合到 CAN 總線時(shí)，就會(huì)引起 GPD。這些 GPD 有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞，甚至損壞收發(fā)器本身。在收發(fā)器和 MCU 之間添加電隔離解決了這個(gè)問題，因?yàn)楦綦x柵的高阻抗可以保護(hù)敏感的 MCU 側(cè)電路，同時(shí)允許 CAN 收發(fā)器和 MCU 之間的可靠通信。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可利用隔離柵來提高整個(gè)系統(tǒng)的 EMC 抗擾度，例如 IEC ESD/EFT/浪涌。有關(guān)此主題的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱白皮書：如何通過隔離改善工業(yè)系統(tǒng)中的 ESD、EFT 和浪涌抗擾性

傳統(tǒng)解決方案

以往，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用光耦合器來創(chuàng)建用于隔離 CAN 節(jié)點(diǎn)的分立式解決方案。圖 1-1 中顯示的這種基于光耦合器的方法需要兩個(gè)用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的高速光耦合器、一個(gè) CAN 收發(fā)器、一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)送光耦合器的 LED 的施密特緩沖器、旁路電容器以及若干個(gè)用于正確偏置的電阻器。

基于光耦合器的解決方案需要使用大量外部元件，這增加了布板空間，并帶來潛在的可靠性問題。與分立式光耦合器方法相比，用于穩(wěn)健可靠系統(tǒng)運(yùn)行的高壓隔離 等現(xiàn)代數(shù)字隔離器解決方案更為可靠，具有更低的時(shí)基故障 (FIT) 率和更小的整體解決方案尺寸。

集成隔離式 CAN

與分立式解決方案相比，TI 的隔離式 CAN 收發(fā)器產(chǎn)品系列在單個(gè)封裝中集成了信號(hào)隔離功能和收發(fā)器，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并進(jìn)一步減少布板空間。具有 +/-70V 總線故障保護(hù)的 ISO1042 CAN 靈活數(shù)據(jù)速率 (FD) 收發(fā)器可在 16-DW 和節(jié)省空間的 8-DWV 封裝中為高壓應(yīng)用提供 5kVrms 基礎(chǔ)型隔離或增強(qiáng)型隔離。對(duì)于隔離要求較低的應(yīng)用，ISO1044 在超小型 8-D 封裝中提供 3kVrms 隔離解決方案，使其成為中斷接地回路的理想選擇。

ISO1044 支持 +/-58V 總線故障保護(hù)，以防止 CAN 總線與 12V 或 24V 電源線短路時(shí)對(duì)器件造成潛在損壞。該器件還能夠?qū)崿F(xiàn) 5Mbps 的 CAN FD 速度和最大 225ns 的低環(huán)路延遲。CAN 標(biāo)準(zhǔn) ISO11898-2 要求對(duì)環(huán)路延遲（MCU 發(fā)送邏輯信號(hào)到總線，再?gòu)目偩€返回到接收邏輯數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔）和脈沖寬度失真（在發(fā)送和接收路徑中）進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間限制。在集成器件（例如 ISO1042 或 ISO1044）的數(shù)據(jù)表中保證了時(shí)序特性，消除了對(duì)多器件解決方案通常所需的時(shí)序規(guī)格進(jìn)行額外的模擬/測(cè)試所需的時(shí)間和成本，這是由于隔離元件和 CAN 收發(fā)器之間的互連路徑中存在額外的寄生效應(yīng)。ISO1044 和 ISO1042 均為邏輯側(cè)電源提供 1.71V 至 5.5V 的寬輸入電壓范圍，以直接與低壓微控制器連接；并為總線側(cè)電源提供 4.5V 至 5.5V 的電壓，以消除對(duì)系統(tǒng)中嚴(yán)格調(diào)節(jié)的總線側(cè)電源的需求。

與傳統(tǒng)解決方案的可靠性對(duì)比

1. 隔離可靠性：ISO1044 和 ISO1042 是 基于 TI 的 SiO2 隔離技術(shù)。高壓電容器采用控制良好的半導(dǎo)體工藝制造，并且器件間的差異非常小。另外，根據(jù) VDE 0884-11 關(guān)于非光學(xué)隔離器的標(biāo)準(zhǔn)，隔離柵的壽命由時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿 (TDDB) 技術(shù)要求來定義。另一方面，光耦合器具有制造不確定性，且標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的要求來計(jì)算器件壽命，從而導(dǎo)致性能不一致，即使是在同一晶圓批次的器件中也是如此。下述白皮書提供了有關(guān) TI SiO2 隔離技術(shù)壽命可靠性的詳細(xì)說明：實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高壓信號(hào)隔離。
2. 溫度性能：傳統(tǒng)光耦合器的額定溫度最高可達(dá) 85°C。市場(chǎng)上有額定溫度為 105°C 的光耦合器，但罕見且昂貴。ISO1044 和 ISO1042 的特征是在 –40 至 125°C 的工業(yè)級(jí)工作溫度范圍內(nèi)得到了保證。這種擴(kuò)展的工作溫度范圍使電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光伏逆變器等大功率應(yīng)用免受設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部可能出現(xiàn)的最高環(huán)境溫度的影響。
3. 瞬態(tài)噪聲性能：市場(chǎng)上可用的光耦合器的典型共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 規(guī)格為 15kV/us 至 25kV/us。這意味著如果兩側(cè)之間的噪聲變化速度超過 15-25kV/us，則隔離柵中的數(shù)據(jù)通信可能會(huì)被破壞。ISO1044 和 ISO1042 提供了 100kV/us 的典型 CMTI。這是對(duì)可靠數(shù)據(jù)傳輸和更好抗噪性的直接衡量。此外，ISO1044 具有適用于 HBM ESD 和 IEC ESD 的強(qiáng)大總線側(cè)保護(hù)電路，無需額外元件即可分別滿足 +/-10kV 和 +/-8kV 要求。

解決方案尺寸比較

下方的圖 1-2 - 圖 1-4 展示了創(chuàng)建隔離式 CAN 端口的各種實(shí)現(xiàn)方法。圖 1-2 展示了光耦合器分立式解決方案的布局，圖 1-3 展示了業(yè)界通用的 16-SOIC 解決方案（如 ISO1042），圖 1-4 展示了 ISO1044 解決方案。ISO1044 僅占用 84mm² 的空間，僅需要兩個(gè)外部陶瓷旁路電容器。與光耦合器分立式解決方案相比，ISO1044 解決方案節(jié)省了高達(dá) 84% 的電路板面積，與業(yè)界通用的 16-SOIC 解決方案相比，節(jié)省了 60% 的電路板面積。

結(jié)論

一直以來，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)都是不斷地增加更多功能，縮小每一代產(chǎn)品的外形尺寸，但又不影響系統(tǒng)的可靠性。ISO1044 提供了超小尺寸的隔離式 CAN 解決方案，非常適合中斷接地回路，與傳統(tǒng) 16-SOIC 封裝或光耦合器分立式解決方案一樣，占用電路板面積的一小部分。使用 ISO1044 代替?zhèn)鹘y(tǒng)解決方案可釋放布板空間以用于其他子系統(tǒng)，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性。