具有靈活數據速率的控制器局域網（CAN FD）是一種2線差分串行通信協議，使微控制器和其他設備網絡無需專用主機控制器即可進行通信。網絡中的每個節點都需要一個CAN FD收發器，以便在微控制器使用的本地單端信號和魯棒的板外通信所需的差分信號之間進行轉換。

轉換功能要求將CAN FD收發器物理插入敏感電子設備和外部世界之間。在工業和儀器儀表應用中，由操作不當、電氣噪聲工作環境甚至雷擊引起的大瞬態電壓可能是導致通信端口和底層電子設備損壞的巨大應力。信號和電源隔離ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器是一款能夠承受許多瞬態電壓并保護敏感電子器件的器件。

根據適用的IEC標準，瞬態電壓分為靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）和浪涌，并根據瞬態的大小按級別進行評級。4 級 IEC 61000-4-2 ESD 保護、IEC 61000-4-4 EFT 抗擾度和 4+ 級交叉屏障 IEC 61000-4-5 浪涌保護通過 ADM3055E/ADM3057E 隔離信號和功率 CAN FD 收發器的片內集成保護實現。

雖然跨勢壘浪涌被i耦合器隔離柵吸收，但通過總線側接地返回的浪涌會消耗收發器上的大量功率，除非轉移。本應用筆記討論了ADM61000E/ADM4E收發器CAN FD端口上的IEC 5-3055-3057浪涌保護特性解決方案。根據所需的浪涌保護級別、共模范圍要求和可用 PCB 面積對設計選項進行了表征。

本應用筆記的元件測試使用ADM3055E/ADM3057E進行。ADM3050E、ADM3056E和ADM3058E等其他器件使用相同的收發器芯片，本應用筆記中介紹的信息通常也適用于這些器件。

概述

罐 FD 標準

具有靈活數據速率的控制器局域網 （CAN FD） 是具有內置故障處理功能的分布式通信標準，在 ISO-118981-2：2016 中為開放系統互連 （OSI） 模型的物理和數據鏈路層指定。CAN FD雖然最初是為汽車應用而開發的，但由于CAN FD使用的通信機制的固有優勢，它已被廣泛用于工業和儀器儀表應用。

ADM3055E/ADM3057E隔離信號和電源收發器具有±25V的擴展共模范圍。共模范圍超過ISO 11898-2：2016的要求，并提供 即使網絡節點之間存在較大的接地偏移，也能實現可靠的通信。隔離式收發器在全速模式下也大大超過了ISO 11898-2：2016的定時要求。低環路延遲使設計人員能夠將每個位的更大部分用于建立時間。擴展的共模范圍和時序規格可為工業應用提供更遠距離的更可靠通信。

ADM3055E/ADM3057E CAN FD 收發器

在現場安裝中，直接接觸、電線損壞、電感開關、電源波動、電弧，甚至附近的雷擊，都有可能對網絡造成損壞。設計師 必須確保設備不僅在理想條件下運行，而且在惡劣的現實環境中可靠運行。為了確保這些設計能夠在電氣惡劣的環境中生存，各種政府機構和監管機構都實施了EMC法規。遵守這些法規可確保最終用戶在這些惡劣的電磁環境中按預期運行設計。

隔離信號和電源ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器是一款CAN FD物理層收發器。該器件采用ADI公司i耦合器技術，將 3通道隔離器、CAN FD收發器和ADI公司ISOPower隔離DC-DC轉換器集成單個表面貼裝小外形集成電路（SOIC_IC）封裝。?

EFT和ESD瞬變具有相似的能量電平，ADM3055E/ADM3057E上的ESD和EFT保護通過片內保護結構實現。浪涌波形具有更高的能量電平，浪涌瞬態電壓可以施加在隔離柵或收發器芯片上。集成的i耦合器隔離柵技術為跨越隔離柵發生的浪涌瞬變提供增強保護。表 1 中提供了集成保護級別。保護收發器免受高浪涌的影響需要外部保護器件，本應用筆記將對此進行討論。

浪涌抗擾度測試

浪涌瞬變是由開關或雷電瞬變的過電壓引起的。開關瞬變可能是由電力系統開關、配電系統中的負載變化或各種系統故障引起的，例如安裝的接地系統的短路和電弧故障。雷電瞬變可能是由于附近的雷擊注入電路的高電流和電壓造成的。IEC 61000-4-5定義了波形，測試方法和測試級別，用于評估電氣和電子設備在受到這些浪涌時的抗擾度。

圖1顯示了1.2 μs/50 μs浪涌瞬態波形。波形被指定為波形發生器的開路電壓和短路電流的輸出。浪涌瞬變被認為是最嚴重的EMC瞬變，因為它的能量水平比ESD或EFT脈沖中的能量大三到四個數量級。因此，由于其高能量，通常需要外部保護裝置來提高高浪涌抗擾度。

圖1.IEC 61000-4-5 浪涌 1.2 μs/50 μs 波形

圖2顯示了本應用筆記中用于浪涌測試的CAN端口的耦合網絡。電阻的總平行總和為 40 Ω。對于半雙工器件，每個電阻為80 Ω。請注意，在浪涌測試期間還包括高速CAN總線的終端網絡。

圖2.用于CAN FD收發器的浪涌耦合網絡

在浪涌測試期間，向數據端口施加10個正脈沖和10個負脈沖，每個脈沖之間的最大時間間隔為<>秒。設備在三種條件下設置，即無源模式、正常工作模式和測試期間的待機模式。在施加浪涌脈沖應力之前和之后檢查 CANH 和 CANL 引腳上的泄漏，同時開關信號和 I抄送在測試之前、期間和之后，還要監測電流。進行浪涌測試以確保IEC 61000-4-5標準描述的性能標準B。標準B允許暫時喪失功能或暫時降低性能，但必須在沒有操作員干預的情況下進行自我恢復。

用于 CAN FD 的浪涌瞬態保護解決方案

EMC 瞬態事件因時間而異。為了確保電路符合EMC標準，需要仔細設計、表征并了解受保護器件和保護元件的輸入/輸出級的動態性能。元件數據手冊通常只包含直流數據，鑒于動態擊穿和I/V特性可能與直流值有很大不同，因此其價值有限。

本應用說明介紹了五種不同的完全表征的浪涌解決方案。每種解決方案都為ADI公司的ADM3055E/ADM3057E CAN FD收發器提供不同的成本/保護級別，這些收發器使用精選的外部電路保護元件提供增強的浪涌保護。使用的兩種類型的外部電路保護元件包括瞬態電壓抑制器（SM712-02HTG、CDNBS08-T24C 和 TCLAMP1202P）和晶閘管浪涌保護器（TISP7038L1 和 TISP4P035L1N）。

TVS 保護設備選件

第一種解決方案使用不同的瞬態電壓抑制器（TVS）陣列。由兩個雙向TVS二極管組成的典型TVS陣列如圖3所示。表2顯示了針對浪涌瞬變、共模電壓和封裝PCB尺寸保護的電壓電平的詳細信息。

圖3.TVS保障計劃

TVS是一種基于硅的設備。在正常工作條件下，TVS對地阻抗高;理想情況下，它是一個開路。保護是通過將過壓從瞬態箝位到電壓限值來實現的。這是通過PN結的低阻抗雪崩擊穿完成的。當產生大于TVS擊穿電壓的瞬態電壓時，TVS將瞬態鉗位到小于其所保護設備的擊穿電壓的預定水平。瞬態瞬態被瞬時箝位（< 1 ns），瞬態電流從受保護器件轉移到地。

典型雙向TVS的I/V特性如圖4所示。VRWM的TVS必須與CAN FD端口的共模電壓匹配。確保擊穿電壓V也很重要BR超出受保護引腳的正常工作范圍。較低的R戴恩和 V鉗在我聚丙烯通常優選將大多數浪涌電流分流到地，并將電壓箝位到引腳的故障電壓以下。

圖4.典型雙向 TVS I/V 特性

TISP 保護器件選項

另一種類型的電涌保護器是回彈設備，例如，全集成電涌保護器（TISP）。本文研究了兩個 Bourns TISP，作為圖 5 所示的外部浪涌保護器件。這些器件提供了更多選項，具有不同的共模電壓范圍和成本/浪涌性能水平，如表3所示。

圖5.TISP 保護計劃

TISP的非線性電壓-電流特性通過轉移產生的電流來限制過電壓。作為晶閘管，TISP具有由以下原因引起的不連續電壓-電流特性： 在高壓和低壓區域之間切換動作。圖6顯示了該器件的電壓-電流特性。在TISP器件切換到低電壓狀態之前，低阻抗接地以分流瞬態能量，由雪崩擊穿區域引起箝位動作。

圖6.TISP 開關特性和限壓波形

在限制過壓時，受保護電路在TISP器件處于擊穿區域的短時間內暴露在高壓下，然后切換到低壓保護 在狀態。當轉移電流降至臨界值以下時，TISP器件會自動復位，從而恢復正常的系統操作。

關于此類設備的選擇，需要考慮幾點。首先，TISP的擊穿電壓必須高于端口的共模電壓。此外，TISP經常 由于其出色的功率密度效率，可提供高 IPP。但是，脈沖上升沿的電壓過沖可能相當高，并可能損壞被測端口，這通常是浪涌保護級別的限制因素。然而，TISP的低保持電壓可能會在IEC ESD測試期間引起一些閂鎖問題。此處列出的TISP解決方案已根據IEC 61000-4-2 ESD進行了測試，以消除此問題。

結論

為CAN FD網絡設計EMC兼容解決方案的關鍵挑戰是將外部保護組件的動態性能與CAN FD收發器的輸入/輸出結構的動態性能相匹配。本應用筆記介紹了ADM3055E/ADM3057E隔離信號和功率CAN FD收發器的五種浪涌保護解決方案，根據保護級別、共模范圍和成本要求為設計人員提供了多種選擇。表 4 總結了這些保護器件選項。

雖然這些設計工具不能取代系統級所需的盡職調查或資格認證，但它們允許設計人員在設計周期開始時降低由于EMC問題而導致的風險。 避免已知的陷阱，并縮短整體設計時間。

審核編輯：郭婷