1 應用簡報

引言：

隨著信號隔離在許多工業和汽車應用中的使用增加，對隔離電源的需求也增加了。一旦隔離柵任一側的電源短路，隔離帶來的好處就會喪失。同時，如果設計隔離電源子系統時不考慮仔細，則會影響整體系統性能，如電源傳輸效率低導致的溫升、輻射導致的數據損壞等。為了簡化隔離式 CAN 子系統的設計過程，本文檔提供了多種隔離 CAN 信號和電源的方案（分立式和集成式）。

隔離電源的分立式實現：

圖 1 所示為隔離式 CAN 子系統的分立式信號和電源隔離方案的示例。隔離式 CAN 功能是通過一個數字隔離器 ISO7721 以及一個帶靈活數據速率和故障保護的 CAN 收發器 TCAN1042H 來實現的，其中數字隔離器在每個方向為發送 (TXD) 和接收 (RXD) 信號提供一個通道。

（產品更新：ISO7721 是上一代數字隔離器。對于新設計，我們推薦使用 ISO6421，這是一款改進了時序和 EMC 性能的新一代引腳對引腳兼容增強型數字隔離器。）

SN6501 是一款推挽式變壓器驅動器，可與外部變壓器、整流二極管和 LDO 結合使用以產生隔離電源。根據調節需要，LDO 為可選件。對于變壓器初級側最高 350mA 的變壓器驅動器電流而言，SN6501 足以滿足要求。如果需要更大的驅動電流，1A 驅動電流的 SN6505A 或者 SN6505B 可能更合適。

將圖 1 中的分立式隔離器和 CAN 替換為隔離式 CAN 器件，則可實現如圖 2 所示的簡化信號鏈。隔離式電源解決方案與之前的分立式實現方案相同。本設計中的隔離式 CAN 器件 ISO1042 使器件數量減少了一個，縮短了循環時間，同時提供了高級別的保護。該解決方案具有先前分立解決方案的所有優點，卻沒有任何其他缺點。

如果系統中有多個隔離式 CAN 器件由同一個隔離式電源供電，則該架構可使信號鏈部分變得緊湊，因為 LDO 的輸出可用于為所有隔離式 CAN 器件供電。TIDA-01255 是分立式實現的詳細參考設計，適用于汽車和工業 CAN 系統。

• 該解決方案的優勢：
  • 采用外部變壓器，功率傳輸效率更高（約 70% 至 80%）。
  • 通過降低變壓器驅動器的開關頻率，盡可能減少輻射。
  • 可靈活使用任何 CAN 收發器或數字隔離器或單片隔離式 CAN。
  • 隔離式電源能夠為多個隔離式 CAN 收發器提供電流。
  圖 1 隔離式電源的分立式實現：
  圖 2 帶隔離式 CAN 收發器的隔離式 CAN 子系統的分立式實現

• 該解決方案的缺點：
  • 采用分立式元件，占用的布板空間更大。
  • 變壓器體積大且需要更高的高度，這限制了電路板堆疊的緊密度。
  • 每個隔離元件都需要單獨認證。

帶隔離式電源的隔離式 CAN：

隔離式 CAN 和電源的功能同樣可以用 ISOW1044 來實現。ISOW1044 是一款將所有隔離功能和 CAN FD 收發器集成到單個 20-SOIC 封裝中的器件，如圖 3所示。ISOW1044 在芯片內部集成變壓器，這不僅在 X 和 Y 維度上節省了空間，在 Z（高度）維度上也是如此。此外，ISOW1044 包含一個單獨的 10Mbps GPIO 通道，有助于進一步去除板上其他數字隔離器或光耦合器。

• 該解決方案的優勢：
  • 緊湊型解決方案，所需高度更低。
  • 只有一個隔離元件，易于認證和設計。
  • 減輕了尋找合適額定值的變壓器的負擔。
  • 低輻射設計，確保最終系統能夠在兩層 PCB 上僅使用兩個鐵氧體磁珠就滿足 CISPR 32 B 類設備輻射限制要求。
• 該解決方案的缺點：
  • 采用片上變壓器，將功率傳輸效率限制在 47%。
  • 采用集成式變壓器，開關頻率更高，因此輻射通常高于分立式實現。
  • 最適合從根本上而言單個 CAN 接口需要隔離式電源的系統，因為該器件僅為內部 CAN 收發器生成隔離電源，額外輸出電流最高 20mA。

特例

在分立式或集成式隔離電源實現方案中，可能存在 3.3V 或 5V 電源無法為初級側供電的情況。例如，PLC 應用可能使用一個 24V 的電源，而汽車應用可能有一個 12V 的電池。在這樣的情況下，可在變壓器驅動器 SN650x 之前添加一個合適的 LDO，以將電壓降至變壓器驅動器所需的 5V，如圖 4 所示。變壓器由高壓電源驅動，可選擇匝比以在次級側提供 5V 電壓來為隔離式 CAN 供電。變壓器中心抽頭連接的電壓高于 SN650x 的額定值，因此采用高壓 FET 來保護變壓器驅動器的輸出 D1 和 D2。必須注意 FET 的大小，使 R_DS(ON) 盡可能低，以減少效率損失。

結語

選擇合適的元件對于隔離式 CAN 系統的設計來說至關重要。選擇分立式還是集成式解決方案取決于尺寸、設計的簡易性與效率、輻射之間的權衡。隔離式電源的分立式實現可提供更高電源傳輸效率和更低輻射，而集成解決方案為空間敏感型應用提供了一個緊湊型方案。