【技术笔记】总线隔离后如何接地？-上篇

ZLG致远电子 2021-03-17 00:00

【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案

各位工程师对于CAN与RS-485总线并不陌生并且能快速搭建隔离电路，但可能仍会遇到通讯异常或损坏的情况，这是什么原因导致？这可能是由于隔离后接地错误导致，本文先为大家介绍隔离后接地的ESD作用机理。

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；

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。

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，如下面左图；
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，如下面右图。
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。

2、设备控制测悬空

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。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。

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，如下面左图；
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，如下面右图。