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                                  如何在隔离CAN系统中隔离信号和电源

                                  2021-01-19 02:46:41 发表

                                  简介:

                                  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。如果隔离屏障两侧的电源只是短路,隔离的好处就会消失。同时,如果隔离的电力子系统设计不仔细,会影响系统整体性能,如电力传输效率差导致温度升高,排放导致数据损坏等。为了简化隔离CAN子系统的设计过程,本文档提供了各种隔离CAN信号和电源的选项(分立和集成)。

                                  隔离功率的离散实现:

                                  图1展示了隔离CAN子系统的一个离散隔离信号和电源解决方案的例子。隔离CAN功能是通过数字隔离器ISO7721和TCAN1042H实现的,ISO7721在每个方向都提供一个通道用于发送(TXD)和接收(RXD)信号,TCAN1042H是一个具有灵活数据速率的故障保护CAN收发器。

                                  SN6501是一个推挽变压器驱动器,可与外部变压器、整流二极管和LDO一起使用,以产生隔离电源。根据需要的规则,LDO可以是可选的。对于变压器一次侧高达350ma的变压器驱动电流,SN6501就足够了。如果需要更大的驱动电流,SN6505A或SN6505B 1A驱动电流可能更合适。

                                  通过用一个隔离的CAN设备替换图1中的离散隔离器和CAN,可以实现如图2所示的简化信号链。孤立功率解决方案与前面的离散实现是相同的。该设计中隔离的CAN ISO1042器件减少了一个器件计数,提高了环路时间,并提供了高水平的保护。此解决方案具有前面离散解决方案的所有优点,但没有额外的缺点。

                                  如果系统中有多个隔离的CAN器件由同一个隔离电源供电,这种结构使得信号链部分紧凑,因为LDO的输出可以给所有隔离的CAN器件供电。TIDA-01255是离散实现的详细参考设计,适用于汽车和工业罐系统。

                                  ?此解决方案的优点:

                                  -采用外置变压器,提高了功率传输效率(~ 70-80%)。

                                  -可通过降低变压器驱动器的开关频率来减少排放。

                                  -灵活使用任意CAN收发器或数字隔离器或单片机隔离CAN。

                                  -隔离电源能够为多个隔离的CAN收发器提供电流。

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                                  图1.隔离CAN子系统的离散实现


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                                  图2.带有隔离CAN收发器的隔离CAN子系统的离散实现


                                  ?此解决方案的缺点:

                                  -由于分立的组件,更大的板空间。

                                  -变压器体积大,要求较高的高度,限制了板子的堆放。

                                  -每个隔离组件都需要单独认证。


                                  集成隔离电源的隔离罐:

                                  隔离CAN和power的相同功能可以通过两个芯片解决方案实现:一个集成了所有隔离功能的单一设备和一个CAN收发器。图3显示了使用ISOW7821的这种实现,ISOW7821是一个2通道隔离的数据和功率设备以及CAN收发器TCAN1042H。

                                  ISOW7821芯片内部集成了变压器,不仅节省了X和Y维的空间,还节省了Z(高度)维的空间。

                                  另外,如果将ISOW7821设备放置在板的一侧,将CAN设备放置在板的另一侧,有助于进一步优化板的空间。

                                  更详细的设计参考集成电源参考设计TIDA-00893隔离CAN模块。

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                                  图3.隔离CAN子系统的集成实现


                                  ?此解决方案的优点:

                                  -紧凑的解决方案,包括较低的高度的解决方案。

                                  -易于认证和设计,因为只有一个独立的组件。

                                  -减少寻找合适额定变压器的负担。

                                  -灵活使用任何CAN收发器。


                                  ?此解决方案的缺点:

                                  -由于片上变压器,功率传输效率被限制在50%。

                                  -由于变压器是集成的,由于更高的开关频率,辐射通常比离散实现更高。这些问题可以通过拼接电容器和良好的电路板布局来解决。有关减少废气排放的详情,请参阅本申请便笺。

                                  -隔离设备的当前能力决定了可以驱动的CAN收发器的数量。


                                  特殊情况

                                  在离散或集成的孤立电源实现中,可能存在3.3 V或5 V不能随时供电的情况。例如,PLC应用可能有24v电源,而汽车应用可能有12v电池。在这种情况下,可以在如图4所示的SN650x变压器驱动器前增加一个合适的LDO,将电压降至变压器驱动器所需的5v电平。变压器由高压电源驱动,选择匝数比在二次侧为隔离罐供电。由于变压器中心抽头被连接到高于SN650x额定值的电压,高压fet被用来保护变压器驱动器的输出D1, D2。必须小心地确定fet的大小,以使Rds_on尽可能低,以减少效率损失。

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                                  图4.一次侧高电压


                                  结论

                                  选择正确的组件来设计隔离的CAN系统是至关重要的。分立或综合解决方案的选择取决于规模、设计的简易性与效率、排放之间的权衡。隔离电源的离散实现提供了更高的功率传输效率,更低的排放,而隔离电源的集成解决方案为空间关键应用提供了一个紧凑的解决方案。


                                  表1 - 1.选择设备的建议

                                  装置优化参数性能权衡
                                  ISOW7841集成电源的4通道数字隔离器4个通道用于额外的隔离信号
                                  ISO1044超小型隔离式CAN收发器3 kVRMS隔离和±58-V总线故障保护


                                  重要通知和免责声明

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