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关注CAN总线设计的筒子们看过来——iCoupler数字隔离器在CAN总线中的应用

ADI_Amy 員工 在 2015-9-8 建立的討論區
最後回覆由ADI_Amy於2015-10-15提供

在工业过程控制、稳压电源和计算机之间点对点通信等应用中,都是采用串行通信总线在各种物理网络上传输数据,例如RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)总线。互连系统中的各子系统通常都有自己的电源,而且往往相距很远,所以通常都需要采用电流隔离不形成接地环路,保护系统免遭瞬态高电压损坏,而且降低了信号失真,也保护了人身安全。 

 

隔离介绍

变压器、耦合电容器、光耦合器以及本文讨论的iCoupler隔离器——都是提供电流隔离的典型方法,它们能阻断两点之间的电流,同时允许数据顺利通过(见图1)。隔离用来保护设备以防由电源浪涌或接地环路引起的高电压或电流,这在任何有多个接地通路的系统中都有可能发生。被长电缆分开的系统地线因为不是处于相等的电位,所以地电流会在这两个系统之间流动。如果不采用隔离,上述电流会引入噪声,降低测量质量,甚至毁坏系统元件。

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图1 电流隔离器允许信息通过而阻止电流通过  


 

工业环境下发生的因电机开关、静电放电(ESD)或者邻近电弧闪击通过感应方式耦合到长电缆中的电流会引起地电位的快速变化,常常会高达上百甚至上千伏。当这种情况出现时,应将远程系统需要的逻辑电平开关信号叠加到相对于其本地的地电位的高电压上。如果没有隔离,此电压可能会破坏信号或者损坏系统。如果将连接到总线上的所有器件都参考同一地线可以保护该系统以防这种破坏性的高电压,而且隔离的器件会防止形成接地环路和电涌。  

 

要完全地隔离系统,必须隔离所有的信号线和电源。带隔离的DC/DC变换器可以提供电源隔离,而iCoupler数字隔离器可以提供信号隔离。  

 

iCoupler技术介绍  

iCoupler隔离器是基于芯片尺寸变压器的磁耦合器,这是与光耦合器中采用的发光二极管(LED)和光电二极管对比的不同之处。iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题;功耗降低了90%;并且无需外部驱动器或分立器件。  

 

变压器初级端的电路将输入逻辑跳变编码成1 ns的脉冲,然后通过变压器对它耦合;次级端电路检测这些经过耦合的脉冲并且恢复输入信号,如图2所示。输入端有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配。这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。

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图2 在iCoupler隔离器的输出端恢复数字输入信号

 


 

因为iCoupler产品的目的是将输入和输出隔离开,所以变压器初级端的电路和次级端的电路必须封装在分开的芯片中。变压器本身可以置于上述任何一颗芯片中——或者第三颗芯片中。整个芯片组被组装在一个标准的塑料封装中,类似多种半导体器件所采用的封装。

 

iCoupler器件的一个新特点是其发送通道和接收通道结合在同一封装中的能力。因为iCoupler变压器本质上是双向的,所以只要变压器的两端有适当的电路,信号就可以从任何一个方向通过。按照这种方法,就可以提供具有各种发送通道或接收通道配置的多通道隔离器。 

 

 

CAN总线隔离

CAN总线:CAN总线标准,最初是为汽车应用开发的,它规定了一种2线串行通信协议,允许高达1 Mbps的数据速率、多达30个结点和40米的最大电缆长度。它以帧为单位传送异步数据,帧中包括起始位(bit)和停止位、一个仲裁字段、一个控制字段、一个循环冗余校验(CRC)字段和一个确认字段。每个结点都能同时侦听和传送数据,所以该协议最重要的特点之一就是其非破坏性的位序列仲裁,它保证了不会有数据丢失。每个结点在消息开始时发送一个主消息起始(SOM)位。其它的结点将会看到此动作并且在该消息完成之前都不会启动一次传输。然后,发送11 bit或者29 bit的仲裁字段。该字段也称为标识符,指示总线上所发送消息的优先次序。任何时候都是最高优先级的结点控制总线,让较低优先级的结点等待。这种非破坏性的仲裁确保了最高优先级的消息总能通过。


像使用RS-232和RS-485总线一样,数字隔离器不支持CAN总线标准,所以它们不能用在收发器和电缆之间,而只能用在收发器和本地CAN控制器之间,采用3V或5V的逻辑电平。因为iCoupler隔离器的输入电路和输出电路彼此是电隔离的,隔离系统和电缆的一种简单的方法是将其置于处理器和收发器之间。为了完成这种隔离通常用一种带隔离的DC/DC变换器给该隔离器和收发器供电。iCoupler数字隔离器和带隔离的电源的组合用法,如图6所示,避免了接地环路问题并且提供了有效的保护以防止浪涌破坏。

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图3 带隔离的CAN总线网络

結果