隔离后接地的ESD作用机理

各位工程师对于CAN与RS-485总线并不陌生并且能快速搭建隔离电路,但可能仍会遇到通讯异常或损坏的情况,这是什么原因导致?这可能是由于隔离后接地错误导致,本文先为大家介绍隔离后接地的ESD作用机理。
 
前言

为保证总线网络的通讯稳定性,通讯接口通常会做隔离,隔离的主要目的:
安规考虑:保护设备及人身安全,隔开潜在的高压危险;
提高通信的稳定性:消除地电势差的影响;
提高器件的可靠性:消除地环路影响;
低耦合:提高系统间的兼容性;
 
隔离接地的原理

总线增加隔离固然可以保证总线稳定可靠地通信,但是带隔离通信接口的设备,在复杂的环境或安装状态下,接口会表现出完全不同的ESD特性,了解ESD对接口的影响机理,才能有针对性地增加保护器件,提升隔离接口的ESD能力。下面以带有隔离CAN或RS-485通信接口为例,对常见的设备状态下,ESD的作用机理进行分析,并提出相应的改善措施。
 
1、总线侧悬空此状态下,设备控制侧有接入保护地(PE),总线侧参考地悬空,与PE无任何连接,如下图。

接下来进行分析:

假设控制侧均做了足够的保护措施,当控制侧接口受到静电放电时,能量通过控制侧保护器泄放至PE,对隔离通信接口基本无影响,如下面左图;
 
当总线接口受到静电放电时,由于总线侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放,由于Ciso非常小,仅有几皮法至十几皮法,Ciso被迅速充电,两端电压Viso会非常高,几乎等同于放电电压,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面右图。
 
注意:对于一般的隔离接口模块,隔离栅可承受的静电放电电压只有4kV,对于更高等级的6kV或8kV的静电来说是非常脆弱的,极易出现损坏情况。

2、设备控制测悬空此状态下,设备控制侧有接入保护地(PE),总线侧参考地悬空,与PE无任何连接。此状态下,设备控制侧参考地悬空,与PE无任何连接,总线侧有接入保护地(PE),如下图。

接下来进行分析:

当总线侧接口受到静电放电时,静电能量通过隔离接口模块内部总线侧器件泄放至PE,但若ESD能量超出了接口模块内部总线侧器件的ESD抗扰能力,总线接口则可能损坏,如下面左图;
 
当控制侧接口受到静电放电时,由于控制侧悬空,能量只能通过隔离栅的等效电容Ciso进行泄放,由于Ciso非常小,两端电压Viso会非常高,电压全部施加在隔离接口模块的隔离栅,若电压超出了隔离栅的电压承受范围,则会导致内部隔离栅损坏,如下面右图。