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在CAN系统中隔离信号和电源

  【2022.10.28.】

  引言
  随着信号隔离在许多工业和汽车应用中的使用增加,对隔离电源的需求也增加了。一旦隔离栅任一侧的电源短路,隔离带来的好处就会丧失。同时,如果设计隔离电源子系统时不考虑仔细,则会影响整体系统性能,如电源传输效率低导致的温升、辐射导致的数据损坏等。为了简化隔离式CAN子系统的设计过程,本文档提供了多种隔离CAN信号和电源的方案(分立式和集成
式)。

  隔离电源的分立式实现
  图1所示为隔离式CAN子系统的分立式信号和电源隔离方案的示例。隔离式CAN功能是通过一个数字隔离器ISO7721以及一个带灵活数据速率和故障保护的CAN收发器TCAN1042H来实现的,其中数字隔离器在每个方向为发送 (TXD) 和接收 (RXD) 信号提供一个通道。

图1
  图1. 隔离式电源的分立式实现

  SN6501是一款推挽式变压器驱动器,可与外部变压器、整流二极管和LDO结合使用以产生隔离电源。根据调节需要,LDO为可选件。对于变压器初级侧最高350mA的变压器驱动器电流而言,SN6501足以满足要求。如果需要更大的驱动电流,1A驱动电流的SN6505A或者SN6505B可能更合适。
  将图1中的分立式隔离器和CAN替换为隔离式CAN器件,则可实现如图2所示的简化信号链。隔离式电源解决方案与之前的分立式实现方案相同。本设计中的隔离式CAN器件ISO1042使器件数量减少了一个,缩短了循环时间,同时提供了高级别的保护。该解决方案具有先前分立解决方案的所有优点,却没有任何其他缺点。
  如果系统中有多个隔离式CAN器件由同一个隔离式电源供电,则该架构可使信号链部分变得紧凑,因为LDO 的输出可用于为所有隔离式CAN器件供电。 TIDA-01255是分立式实现的详细参考设计,适用于汽车和工业CAN系统。

图2
  图2. 带隔离式CAN收发器的隔离式CAN子系统的分立式实现

  • 该解决方案的优势:
   – 采用外部变压器,功率传输效率更高(约70%至80%)。
   – 通过降低变压器驱动器的开关频率,尽可能减少辐射。
   – 可灵活使用任何CAN收发器或数字隔离器或单片隔离式CAN。
   – 隔离式电源能够为多个隔离式CAN收发器提供电流。
  • 该解决方案的缺点:
   – 采用分立式元件,占用的布板空间更大。
   – 变压器体积大且需要更高的高度,这限制了电路板堆叠的紧密度。
   – 每个隔离元件都需要单独认证。

  带隔离式电源的隔离式CAN
  隔离式CAN和电源的功能同样可以用ISOW1044来实现。ISOW1044是一款将所有隔离功能和CAN FD收发器集成到单个20-SOIC封装中的器件,如图3所示。ISOW1044在芯片内部集成变压器,这不仅在X和Y维度上节省了空间,在Z(高度)维度上也是如此。此外,ISOW1044包含一个单独的10Mbps GPIO通道,有助于进一步去除板上其他数字隔离器或光耦合器。

图3
  图3. 隔离式 CAN 子系统的集成式实现

  • 该解决方案的优势:
   – 紧凑型解决方案,所需高度更低。
   – 只有一个隔离元件,易于认证和设计。
   – 减轻了寻找合适额定值的变压器的负担。
   – 低辐射设计,确保最终系统能够在两层PCB上仅使用两个铁氧体磁珠就满足CISPR 32 B类设备辐射限制要求。
  • 该解决方案的缺点:
   – 采用片上变压器,将功率传输效率限制在47%。
   – 采用集成式变压器,开关频率更高,因此辐射通常高于分立式实现。
   – 最适合从根本上而言单个CAN接口需要隔离式电源的系统,因为该器件仅为内部CAN收发器生成隔离电源,额外输出电流最高20mA。

  特例
  在分立式或集成式隔离电源实现方案中,可能存在3.3V或5V电源无法为初级侧供电的情况。例如, PLC应用可能使用一个24V的电源,而汽车应用可能有一个12V的电池。在这样的情况下,可在变压器驱动器SN650x之前添加一个合适的LDO,以将电压降至变压器驱动器所需的5V,如图4所示。变压器由高压电源驱动,可选择匝比以在次级侧提供5V电压来为隔离式CAN供电。变压器中心抽头连接的电压高于SN650x的额定值,因此采用高压FET来保护变压器驱动器的输出D1和D2。必须注意FET的大小,使RDS(ON)尽可能低,以减少效率损失。

图4
  图4. 高初级侧电压

  结论
  选择合适的元件对于隔离式CAN系统的设计来说至关重要。选择分立式还是集成式解决方案取决于尺寸、设计的简易性与效率、辐射之间的权衡。隔离式电源的分立式实现可提供更高电源传输效率和更低辐射,而集成解决方案为空间敏感型应用提供了一个紧凑型方案。

表1
  表1. 备选器件建议

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