1 應用簡介

引言

控制器局域網 (CAN) 總線標準自 20 世紀 80 年代最初為汽車市場開發以來，已被廣泛應用于各種應用領域。該協議的主要特點，例如錯誤檢測、優先級和仲裁，使 CAN 成為汽車的理想選擇，也為安全性和可靠性至關重要的工業應用帶來了優勢。CAN 現在廣泛用于各種工業應用，例如電梯、自動扶梯、樓宇自動化、電網基礎設施、工廠自動化、工業運輸和電力輸送。隨著這些應用在每一代都朝著更高性能和更小的解決方案尺寸發展，系統設計人員面臨著在不影響性能的情況下縮小設計的挑戰。

其中許多應用涉及不同電壓域之間的通信，需要對這些 CAN 端口進行隔離。在工業應用中隔離 CAN 端口的另外兩個常見原因是防止節點之間的接地電位差 (GPD) 或提高電磁兼容性 (EMC)。當節點之間的距離變大或共模噪聲在嘈雜環境中耦合到 CAN 總線時，就會引起 GPD。這些 GPD 有可能導致數據損壞，甚至損壞收發器本身。在收發器和 MCU 之間添加電隔離解決了這個問題，因為隔離柵的高阻抗可以保護敏感的 MCU 側電路，同時允許 CAN 收發器和 MCU 之間的可靠通信。此外，系統設計人員可利用隔離柵來提高整個系統的 EMC 抗擾度，例如 IEC ESD/EFT/浪涌。有關此主題的更多詳細信息，請參閱白皮書：如何通過隔離改善工業系統中的 ESD、EFT 和浪涌抗擾性

傳統解決方案

以往，系統設計人員使用光耦合器來創建用于隔離 CAN 節點的分立式解決方案。圖 1-1 中顯示的這種基于光耦合器的方法需要兩個用于發送和接收數據的高速光耦合器、一個 CAN 收發器、一個用于驅動發送光耦合器的 LED 的施密特緩沖器、旁路電容器以及若干個用于正確偏置的電阻器。

基于光耦合器的解決方案需要使用大量外部元件，這增加了布板空間，并帶來潛在的可靠性問題。與分立式光耦合器方法相比，用于穩健可靠系統運行的高壓隔離 等現代數字隔離器解決方案更為可靠，具有更低的時基故障 (FIT) 率和更小的整體解決方案尺寸。

集成隔離式 CAN

與分立式解決方案相比，TI 的隔離式 CAN 收發器產品系列在單個封裝中集成了信號隔離功能和收發器，以簡化設計流程并進一步減少布板空間。具有 +/-70V 總線故障保護的 ISO1042 CAN 靈活數據速率 (FD) 收發器可在 16-DW 和節省空間的 8-DWV 封裝中為高壓應用提供 5kVrms 基礎型隔離或增強型隔離。對于隔離要求較低的應用，ISO1044 在超小型 8-D 封裝中提供 3kVrms 隔離解決方案，使其成為中斷接地回路的理想選擇。

ISO1044 支持 +/-58V 總線故障保護，以防止 CAN 總線與 12V 或 24V 電源線短路時對器件造成潛在損壞。該器件還能夠實現 5Mbps 的 CAN FD 速度和最大 225ns 的低環路延遲。CAN 標準 ISO11898-2 要求對環路延遲（MCU 發送邏輯信號到總線，再從總線返回到接收邏輯數據之間的時間間隔）和脈沖寬度失真（在發送和接收路徑中）進行嚴格的時間限制。在集成器件（例如 ISO1042 或 ISO1044）的數據表中保證了時序特性，消除了對多器件解決方案通常所需的時序規格進行額外的模擬/測試所需的時間和成本，這是由于隔離元件和 CAN 收發器之間的互連路徑中存在額外的寄生效應。ISO1044 和 ISO1042 均為邏輯側電源提供 1.71V 至 5.5V 的寬輸入電壓范圍，以直接與低壓微控制器連接；并為總線側電源提供 4.5V 至 5.5V 的電壓，以消除對系統中嚴格調節的總線側電源的需求。

與傳統解決方案的可靠性對比

1. 隔離可靠性：ISO1044 和 ISO1042 是 基于 TI 的 SiO2 隔離技術。高壓電容器采用控制良好的半導體工藝制造，并且器件間的差異非常小。另外，根據 VDE 0884-11 關于非光學隔離器的標準，隔離柵的壽命由時間相關的電介質擊穿 (TDDB) 技術要求來定義。另一方面，光耦合器具有制造不確定性，且標準中沒有明確的要求來計算器件壽命，從而導致性能不一致，即使是在同一晶圓批次的器件中也是如此。下述白皮書提供了有關 TI SiO2 隔離技術壽命可靠性的詳細說明：實現高質量和可靠的高壓信號隔離。
2. 溫度性能：傳統光耦合器的額定溫度最高可達 85°C。市場上有額定溫度為 105°C 的光耦合器，但罕見且昂貴。ISO1044 和 ISO1042 的特征是在 –40 至 125°C 的工業級工作溫度范圍內得到了保證。這種擴展的工作溫度范圍使電機驅動器和光伏逆變器等大功率應用免受設備機箱內部可能出現的最高環境溫度的影響。
3. 瞬態噪聲性能：市場上可用的光耦合器的典型共模瞬態抗擾度 (CMTI) 規格為 15kV/us 至 25kV/us。這意味著如果兩側之間的噪聲變化速度超過 15-25kV/us，則隔離柵中的數據通信可能會被破壞。ISO1044 和 ISO1042 提供了 100kV/us 的典型 CMTI。這是對可靠數據傳輸和更好抗噪性的直接衡量。此外，ISO1044 具有適用于 HBM ESD 和 IEC ESD 的強大總線側保護電路，無需額外元件即可分別滿足 +/-10kV 和 +/-8kV 要求。

解決方案尺寸比較

下方的圖 1-2 - 圖 1-4 展示了創建隔離式 CAN 端口的各種實現方法。圖 1-2 展示了光耦合器分立式解決方案的布局，圖 1-3 展示了業界通用的 16-SOIC 解決方案（如 ISO1042），圖 1-4 展示了 ISO1044 解決方案。ISO1044 僅占用 84mm² 的空間，僅需要兩個外部陶瓷旁路電容器。與光耦合器分立式解決方案相比，ISO1044 解決方案節省了高達 84% 的電路板面積，與業界通用的 16-SOIC 解決方案相比，節省了 60% 的電路板面積。

結論

一直以來，許多系統設計人員的任務都是不斷地增加更多功能，縮小每一代產品的外形尺寸，但又不影響系統的可靠性。ISO1044 提供了超小尺寸的隔離式 CAN 解決方案，非常適合中斷接地回路，與傳統 16-SOIC 封裝或光耦合器分立式解決方案一樣，占用電路板面積的一小部分。使用 ISO1044 代替傳統解決方案可釋放布板空間以用于其他子系統，同時提高系統的可靠性。