can与485都是工业通信中常用的现场总线，各位工程师对于总线隔离方案想必都极为熟悉，但可能会遇到总线采用了隔离方案依旧通讯异常的情况，本文将带您一起探讨总线隔离后该如何接地？
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。
目前实现总线隔离有两种方案：采用分立元器件搭建或采用集成模块。
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1。
图1
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，如下面图2。
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，如下面图3。
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。
图2
图3
2、设备控制测悬空
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4。
图4
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，如下面图5。
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，如下面图6。
图5
图6
3、改善措施
针对上述两种情况，隔离接口模块需要得到有效的静电保护，建议进行隔离接口设计时，增加cp、rp以及tvs，提高隔离接口的esd抗扰能力。
电容cp的作用：减轻隔离栅的压力，为静电能量提供一个低阻抗的路径，静电能量大部分通过此电容泄放，为达到良好效果，cp容值应远大于ciso，建议取100pf~1000pf之间。
tvs管的作用：对于总线侧的静电，静电能量会通过防护器件泄放，注意：其导通电压必须小于隔离接口可承受的最大电压，同时大于信号电压；在通信速率高、或节点数较多时，也需要注意尽量选取等效电容小的器件，以免影响总线正常通信。
图7
注意：若产品无安规要求，可与cp并联一个大阻值泄放电阻，如1m，以防静电积累；若有安规要求，一般需要去除泄放电阻，同时选择安规电容。
完善的总线接口保护电路
前面只是对esd的作用机理进行了分析，但随着工业产品对通信接口的emc等级要求越来越高。许多应用要求满足iec61000-4-2静电放电4级，iec61000-4-5浪涌抗扰4级要求。一般的收发器esd、浪涌的防护等级均比较低，如ctm1051m隔离can收发器的隔离耐压为2500vdc，裸机情况下，esd、浪涌等级均较低。所以有必要增加外围电路，提高通信端口的emc等级。
图8
以can总线为例，上图为完善的外围推荐电路。其中gdt置于最前端，提供一级防护，当雷击、浪涌产生时，gdt瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将can_h、can_l间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整，r3 与 r4 建议选用 ptc，d1~d6 建议选用快恢复二极管，参数表如下。
表1 推荐参数表
另一种方案则是采用zlg的sp00s12浪涌保护模块，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护。搭配zlg的全隔离ctm或sc系列的隔离can收发器，如下图。可极大程度的提升产品的集成度，于此同时极大程度的缩小开发周期。
图9
阻容回路接地的必要性
前面讲述了总线隔离之后接地的原理以及推荐电路，想必大家已经很清楚了，在现场，很多客户会提到总线隔离之后为什么需要阻容接地呢？这里给大家简单描述一下：
1、电容：从ems（电磁抗扰度）角度说，这个电容是在假设pe良好连接大地的前提下，降低可能存在的影响（以大地电平为参考的高频干扰信号对电路的影响），是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实gnd直连pe是最好的，但是，直连可能不可操作或者不安全。从emi（电磁干扰）角度说，如果有与pe相连的金属外壳，有这个高频路径，也能够避免高频信号辐射出来。
2、1m电阻：这是对付esd（静电放电）测试用的。因为这种用电容连接pe和gnd的系统（浮地系统），在做esd测试的时候，打入被测电路的电荷无处释放，会逐渐累积，抬升或降低gnd相对pe的电平，累积到一定程度，超过了pe和电路之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压范围，gnd和pe之间就会放电，几个纳秒间，在pcb上的产生数十到数百安培的电流，这足以让任何电路因emp（电磁脉冲）宕机，或者是让pe与电路之间绝缘最薄弱处所在信号连接的器件损坏。但是有时候又不能直接连接pe和gnd，那么就用一个1~2m的电阻去慢慢释放这个电荷，以消除二者间的压差。当然1~2m这个数值是根据esd测试标准选择的，因为iec61000里面规定最高的重复次数只有10次/秒，如果你搞个1000次/秒的非标esd放电，那么1~2m的电阻我觉得是不能释放掉累积的电荷的。
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