如何實作電源與訊號隔離，讓 CAN 匯流排可靠地運作

在與控制器區域網路 (CAN) 通訊匯流排互連的汽車及工業系統中，控制器的使用量日益增多。對設計人員而言，這代表必須考量到充斥在環境中的廣大頻率範圍電氣雜訊，涵蓋高頻輻射電磁干擾 (EMI) 到共模傳導干擾；還要考量到連接與斷開電動馬達、繼電器等各種負載，以及啟動和停止交流發電機／發電機時產生的電壓尖波。雖然 CAN 匯流排適合用於嚴苛的電氣環境，但如果未適當保護，則容易出現多種故障模式。

本文將檢視 CAN 故障的可能原因，並介紹常見的隔離技術。接著將介紹 Texas Instruments、RECOM Power、NXP Semiconductors 和 Analog Devices 等廠商提供的解決方案，可供設計人員用來保護 CAN 元件；還會指導如何有效地實作這些解決方案，包括評估板的使用。介紹的解決方案包括以個別 CAN 收發器為基礎的離散式實作，以及以單晶片和雙晶片隔離式 CAN 匯流排設計為基礎的整合式解決方案。

故障來源及隔離需求

CAN 匯流排可能有很多種故障來源，包括子系統間的接地電位差；一般雜訊來源，例如共模能量與輻射能量；以及配電匯流排上的高電壓雜訊和尖波。為確保汽車及工業系統中的 CAN 匯流排互連保持穩定運作，需要採取兩種類型的隔離：

1. 與電源匯流排隔離
2. 將連接各種子系統的通訊匯流排隔離

相較於整合式解決方案，電源和訊號路徑採用不同隔離的解決方案，通常成本較低，效率也更高。這些解決方案也能讓設計人員獨立地對兩種路徑的隔離等級進行最佳化。設計人員可自由選擇最適合特定應用的隔離技術類型。現有的選擇包括磁性隔離、光學隔離及電容式隔離。本文不對各種隔離選擇進行詳細的討論，但若要進一步了解，請參閱「如何挑選適合 IoT 感測器的電流隔離技術」。

此外，基本的電氣絕緣和強化絕緣之間也有差別，前者使用不允許電流流動的材料。所需的絕緣等級取決於涉及的電壓位準，以及可觸及的零件是否有連接接地。基本的絕緣提供一級觸電防護。電壓大於 60 VDC 或 30 VAC 的系統被視為有危險性，至少需要採取一級防護。系統未必能自動防故障，但任何故障都可在系統內獲得控制。強化或雙重絕緣可提供二級防護。如果發生故障，這能確保使用者的安全。系統若連接至主電源電壓，則需要採取強化絕緣。

隔離解決方案間的設計取捨

CAN 匯流排系統的隔離選擇包括電源和訊號分別隔離的離散式解決方案，以及完全整合的電源和訊號隔離解決方案。整合式解決方案也可包含相關的保護功能，如高靜電放電 (ESD) 穩健性及無線射頻 (RF) 耐受性，因此可用於汽車和工業應用中，且不需要暫態電壓抑制器二極體等額外的保護元件。

面對這些不同的解決方案選擇，必須在尺寸與效率之間進行效能的取捨。在解決方案的尺寸方面，單晶片解決方案最小，覆蓋區通常約為 330 mm²。雙晶片解決方案比較大，通常約為 875 mm²。由於外部 DC-DC 轉換器和必要支援元件的尺寸，離散式解決方案要大很多，通常約為 1,600 至 2,000 mm²。

此外還有效率的取捨，解決方案越大，效率往往也明顯更高。然而，由於涉及的功率位準往往相當低，在高達 15 mA 時介於 3 V 至 5 V，因此熱衝擊可能並非重要的設計考量。單晶片和雙晶片解決方案的效率介於 50% 至 60%，使用外部 DC-DC 轉換器的離散式隔離解決方案，效率則高達 75% 至 80%。

CAN 收發器的離散式隔離解決方案

隔離式 CAN 收發器是種相對簡單的元件，例如 Texas Instruments 的 ISO1042DWR 隔離式 CAN 收發器，就具有 70 V 匯流排故障保護與彈性的數據傳輸率 (圖 1)。ISO1042DWR 元件提供基本隔離或強化隔離選擇。基本的 ISO1042 收發器是針對工業應用而設計。

圖 1：ISO1042 隔離式 CAN 收發器提供基本或強化電流隔離選擇。(圖片來源：Texas Instruments)

ISO1042 在 CAN 彈性數據傳輸率 (FD) 模式下，支援高達 5 Mbit/s 的數據傳輸率，可達到比傳統 CAN 明顯更快的數據傳輸。此元件採用二氧化矽 (SiO₂) 絕緣阻障層，耐壓能力為 5000 Vrms。ISO1042 能讓設計人員針對個別應用的特定需求，選擇最佳的匯流排保護元件。此元件搭配隔離式電源供應器使用，就可避免數據匯流排或其他電路的雜訊電流進入本機接地，並可避免敏感電路受到干擾或破壞。

這些隔離式 CAN 收發器有幾個安全相關的認證；對於任何提供強化及／或基本隔離選擇的元件來說，這些都是重要的安全標準和認證：

• 7071-VPK VIOTM 和 1500-VPK VIORM (強化與基本選擇)，符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01
• 持續 1 分鐘的 5000-VRMS 隔離能力，符合 UL 1577
• IEC 60950-1、IEC 60601-1 和 EN 61010-1 認證
• CQC、TUV 和 CSA 認證

設計人員若考慮使用 ISO1042，則有兩個評估板選擇。Texas Instruments 提供 ISO1042DWEVM 評估模組，可讓工程師評估高效能的強化隔離式 CAN ISO1042，其採用 16 引腳寬型 SOIC 封裝 (封裝代碼 DW)。此評估模組屬於雙晶片解決方案，並提供充足的測試點和跳接線選擇，能以最少的外部元件評估元件。

RECOM Power 針對 ISO1042 提供 R-REF03-CAN1 評估板。R-REF03-CAN1 評估板可展示由 R1SX-3.305/H 隔離式 DC-DC 轉換器供電的 ISO1042 隔離式 CAN 收發器。要供電給此參考板，只需要一個 3.3 V 外部電源。此參考板可讓設計人員快速開發與分析隔離式系統。

Texas Instruments 的 ISO1042 針對工業 CAN 應用進行最佳化，NXP 的 TJA1052i 高速 CAN 收發器，則是專門用於電動車 (EV) 和油電混合車 (HEV)，因為這些應用的高低電壓零件之間需要使用電流隔離屏障 (圖 2)。

圖 2：NXP 的 TJA1052i 針對電動車和油電混合車應用進行最佳化。(圖片來源：NXP Semiconductors)

TJA1052i 係設計用於鋰離子電池管理、再生煞車及 48 V 至 12 V 位準移位。此元件也可在無皮帶的專案中，用來隔離高電壓隨需幫浦和馬達。AEC-Q100 認證的 TJA1052i 可實作 CAN 實體層 (PHY)，如 ISO 11898-2:2016 和 SAE J2284-1 至 SAE J2284-5 標準所定義。提供三種隔離等級包括 1 kV、2.5 kV 和 5 kV。如同 ISO1042，TJA1052i 也需要外部隔離式電源。

整合式電源與訊號隔離解決方案

雖然離散式 DC-DC 轉換器實作通常比整合式更有效率，但整合式解決方案提供幾個優點：

• 板面積縮小
• 認證更容易
• 簡化設計

Analog Devices 的 ADM3055E/ADM3057E 是 5 kV rms 和 3 kV rms 隔離式 CAN 收發器，帶有整合隔離式 DC-DC 轉換器 (圖 3)。

圖 3：ADM3055E/ADM3057E 隔離式 CAN 收發器同時整合電源與訊號隔離。(圖片來源：Analog Devices)

這些元件由單一 5 V 電源供電，並針對 CAN 和 CAN FD 提供完全隔離的解決方案。DC-DC 轉換器進行高頻切換所產生的輻射放射，可透過持續調整切換頻率，保持在 EN 55022 B 類限值以下。針對 5 kV rms 隔離電壓、10 kV 突波測試、8.3 mm 沿面距離和間隙所要求的安全與法規許可，可確保 ADM3055E 符合應用的強化隔離要求，其中有些許可在本文撰寫時正在審核中。ADM3057E 具有 3 kV rms 的隔離電壓和 7.8 mm 的沿面距離，採用 20 引線寬型 SOIC 封裝。

為了支援使用 ADM3055E/ADM3057E 進行設計開發工作，Analog Devices 提供 EVAL-ADM3055EEBZ 評估板。ADM3055E 與 ADM3057E 整合了邏輯側開關鍵控 (OOK) 訊號隔離通道，以及 Analog Devices 的 isoPower DC-DC 轉換器，以便在採用表面黏著式鐵氧體磁珠的雙層印刷電路板上進行傳輸時，能提供遠低於 EN55022 B 類限值的穩壓隔離式電源。

Texas Instruments 以不同的做法在 CAN 通訊中達到電源與訊號隔離，其以雙晶片解決方案為基礎，其中採用雙通道隔離式資料與電源元件 ISOW7841，以及 CAN 收發器 TCAN1042H (圖 4)。

圖 4：此雙晶片解決方案在一個晶片 (左) 中提供電源與訊號隔離，在第二個晶片 (右) 中提供 CAN 通訊。(圖片來源：Texas Instruments)

在 ISOW7841 晶片內整合變壓器，不僅可在 x 與 y 維度，更可在 z (高度) 維度節省空間。若要評估 ISOW7841，可使用 ISOW7841EVM 評估模組。使用兩個晶片時，可將 ISOW7841 元件放在板件一側，並將 CAN 元件放在另一側，以縮減整體電路板空間。

透過這個雙晶片解決方案，設計時就不需要使用任何額外元件，即可產生隔離電源；相較於使用離散變壓器來產生所需隔離電源的解決方案，此隔離解決方案的尺寸還不到其四分之一。有個相關的公版設計採用介於 3 V 至 5.5 V 的單電源輸入，其數位訊號則參考評估板一側的輸入電源位準。ISOW7841 接著使用整合式 DC-DC 轉換器產生隔離電源，以便供電給評估板另一側的 CAN 收發器。評估板電源側的訊號會進行隔離並連接到 CAN 收發器，再由收發器將單端數位訊號轉換為差動 CAN 格式。

結論

為了避免 CAN 匯流排因子系統之間的接地電位差，或其他雜訊來源而發生潛在故障，電源和訊號隔離必不可少。雜訊來源包括子共模能量與輻射能量，以及配電匯流排上的高電壓雜訊和尖波等。

如本文所述，CAN 匯流排系統的隔離選擇包括電源和訊號分別隔離的離散式解決方案，以及完全整合的電源和訊號隔離解決方案，後者也能納入相關的保護功能，讓這些解決方案用於汽車和工業應用，就不必使用抑制器二極體等額外的保護元件。

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