如何实现电源和信号隔离以确保 CAN 总线可靠运行

作者：Jeff Shepard

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。所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“如何为物联网传感器选择正确的电隔离技术”。

基本电气绝缘（使用不允许电流流动的材料）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二级保护。这样可以在发生故障时确保用户的安全。系统若接入市电电压，则要求具有强化绝缘。

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 V 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 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）。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。

图 1：ISO1042 隔离式 CAN 收发器提供基本或强化电隔离选择。（图片来源：Texas Instruments）

ISO1042 在 CAN 灵活数据速率 (FD) 模式下支持最高 5 Mbps 的数据速率，数据传输速度与传统 CAN 相比要快得多。该器件使用二氧化硅 (SiO2) 绝缘片，耐压能力为 5000 Vrms。ISO1042 使设计人员能够根据个别应用的具体需求选择最优的总线保护器件。配合隔离式电源使用时，该器件能够防止数据总线或其它电路中的噪声电流进入本地接地，以避免干扰或损坏敏感电路。

这些隔离式 CAN 收发器具有多种安全相关的认证；对于任何提供强化和/或基本隔离选项的器件而言，这些都是重要的安全标准和认证）：

· 符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01 的 7071-VPK VIOTM 和 1500-VPK VIORM（强化和基本选项）
· 根据 UL 1577 标准长达 1 分钟的 5000-VRMS 隔离能力
· IEC 60950-1、IEC 60601-1 和 EN 61010-1 认证

CQC、TUV 和 CSA 认证

对于考虑 ISO1042 的设计人员，有两种评估板选择。Texas Instruments 提供的 ISO1042DWEVM 评估模块使工程师能够评估采用 16 引脚宽体 SOIC 封装（封装代码 DW）的高性能、强化隔离型 CAN ISO1042。EVM 是一种双芯片解决方案，具有足够的测试点和跳线选项，可以用最少的外部元器件来评估器件。

RECOM Power 面向 ISO1042 提供了 R-REF03-CAN1 评估板。R-REF03-CAN1 评估板展示了由 R1SX-3.305/H 隔离式 DC-DC 转换器供电的 ISO1042 隔离式 CAN 收发器。要为参考板供电，仅需要一个 3.3 V 外部电源。通过该参考板，设计人员能够快速开发和分析隔离系统。

Texas Instruments 的 ISO1042 专为工业 CAN 应用而优化，而 NXP 的 TJA1052i 高速 CAN 收发器则专门针对电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV)，它们的高低压部件之间需要电隔离栅（图 2）。

图 2：NXP 的 TJA1052i 针对电动和混合动力车辆进行了优化。（图片来源：NXP Semiconductors）

TJA1052i 设计用于锂离子 (Li-ion) 电池管理、再生制动和 48 V 至 12 V 电平位移。该器件还可用于皮带淘汰项目中高压按需泵和电机的隔离。通过 AEC-Q100 认证的 TJA1052i 实现了 ISO 11898-2:2016 和 SAE J2284-1 至 SAE J2284-5 中定义的 CAN 物理层 (PHY)。目前提供三种隔离级别：1 kV、2.5 kV 和 5 kV。与 ISO1042 一样，TJA1052i 也需要外部隔离电源。

集成电源和信号隔离解决方案

虽然分立 DC-DC 转换器实施方案通常比集成方案效率更高，但集成解决方案具有以下优点：

· 电路板面积小
· 认证更容易
· 设计简单

Analog Devices 的 ADM3055E/ADM3057E 是 5 kV rms 和 3 kV rms 隔离式 CAN 收发器，带有集成隔离式 DC-DC 转换器（图 3）。

图 3：ADM3055E/ADM3057E 隔离式 CAN 收发器集成电源和信号隔离。（图片来源：Analog Devices）

这些器件采用 5 V 单电源供电，为 CAN 和 CAN FD 提供了完全隔离的解决方案。通过连续调整开关频率，DC-DC 转换器高频开关的辐射性放射被限制在 EN 55022 B 类限值以下。有关 5 kV rms 隔离电压、10 kV 浪涌测试及 8.3 mm 爬电距离和间隙的安全与监管认证（在撰写本文时待批），可确保 ADM3055E 满足应用的强化隔离要求。ADM3057E 采用 20 引线宽体 SOIC 封装，具有 3 kV rms 的隔离电压和 7.8 mm 的爬电距离。

为了支持基于 ADM3055E/ADM3057E 的设计开发工作，Analog Devices 提供了 EVAL-ADM3055EEBZ 评估板。ADM3055E 和 ADM3057E 集成了逻辑侧开关键控 (OOK) 信号隔离通道和 Analog Devices 的 isoPower DC-DC 转换器，在采用表面贴装铁氧体磁珠的双层印刷电路 (pc) 板上传输时，可提供远低于 EN55022 B 类限值的稳压隔离电源。

Texas Instruments 提供了一种不同的 CAN 通信电源和信号隔离方法，该方法基于双芯片解决方案，其中使用双通道隔离数据和电源器件 ISOW7841，以及 CAN 收发器 TCAN1042H（图 4）。

图 4：这种双芯片解决方案在一个芯片（左）中提供电源和信号隔离，在第二个芯片（右）中提供 CAN 通信。（图片来源：Texas Instruments）

在 ISOW7841 芯片内部集成变压器，不仅在 x 和 y 维度上，而且在 z（高度）维度上也节省了空间。要评估 ISOW7841，可使用 ISOW7841EVM 评估模块。当使用两个芯片时，可以将 ISOW7841 器件放在电路板的一侧，而将 CAN 器件放在另一侧，从而减少电路板的整体空间。

这种双芯片解决方案使得在设计上不需要任何额外元器件来产生隔离电源，相比使用分立变压器产生所需隔离电源的解决方案，该隔离解决方案的尺寸不到其四分之一。一个相关的参考设计采用 3 V 至 5.5 V 的单电源输入，数字信号参考电路板一侧的输入电源电平。然后，ISOW7841 利用集成的 DC-DC 转换器产生隔离电源，用于为电路板另一侧的 CAN 收发器供电。电路板电源侧的信号被隔离并连接到 CAN 收发器，后者将单端数字信号转换为差分 CAN 格式。

总结

为了保护 CAN 总线免受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导致的潜在故障影响，电源和信号隔离必不可少。

如上所述，CAN 总线系统的隔离选择包括电源和信号单独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，后者还可包括相关保护功能，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，例如抑制二极管。