浅谈静电放电对电动叉车CAN总线可靠性的影响

浅谈静电放电对电动叉车 CAN总线可靠性的影响

贾雪峰

安徽合力股份有限公司研发部 电动车辆研究所 安徽 合肥 230601

内容摘要：

随着科学技术的不断发展，电子产品被广泛地应用在各行各业，致使周围的电磁环境复杂多变，而由于静电放电产生的电磁场效应也成为了不得不思考的重要问题。叉车使用特殊工况日常使用产生静电，集聚静电可能产生的放电现象。这种现象瞬间产生的放电电流，会产生短暂但却高强度的电磁场，从而导致正在使用的叉车设备如仪表、电控电子设备产生CAN总线网络故障。静电static electricity 是一种处于静止状态的电荷，在干燥和多风的秋天，在日常生活中，人们常常会碰到这种现象：晚上脱衣服睡觉时，黑暗中常听到噼啪的声响，而且伴有蓝光；见面握手时，手指刚一接触到对方，会突然感到指尖针刺般刺痛，令人大惊失色；早上起来梳头时，头发会经常“飘”起来，越理越乱；拉门把手、开水龙头时都会“触电”，时常发出“啪”的声响，这就是发生在人体的静电。叉车在特定的工况和特殊的环境会产生静电，在干燥的环境中、叉车使用无痕胶轮胎，地面使用绝缘漆喷涂工况，叉车使用中会产生静电，操作者在接触叉车车体就会突然感到指尖针刺般刺痛，或者有些工况叉车静电释放过程中对叉车CAN总线可靠性产生影响。导致车辆报CAN总线网络故障。文章介绍了静电放电对CAN总线电路的影响和消除的关键要素以及相关整改措施，并通过实例加以证明，电动叉车电气设备静电放电消除整改提供了有效方案，避免对CAN总线和使用者的影响。

关键字： CAN总线技术、静电 、ESD静电放电

内容：随着CAN总线技术的成熟，CAN总线的可靠性，高效，日益凸显，也逐步发展应用到电动叉车领域。对叉车的核心电机控制器、仪表、车联网之间使用CAN总线技术。

CAN ( Controller Area Network ) 即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。

电动叉车应用控制领域的静电危害，

（1）引起叉车电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰。危害：叉车电子设备会故障致使CAN可靠性受影响

（2）高压静电放电造成电击，危及人身安全。危害; 人“触电”不舒适，对心脏有伤害

减少CAN通信网络的数据传输速率受影响的有效电路：

寻求减少静电造成的损失近年来随着科学技术的飞速发展、微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂，静电放电的电磁场效应如电磁干扰（EMI）及电磁兼容性（EMC）问题，已经成为一个迫切需要解决的问题。整改CAN总线网络提示安全问题，导致车辆停止工作。重新启动恢复电源开关会故障消失，影响叉车使用效率，给叉车使用带来安全隐患。提供一种电路结构简单、制造成本低、静电放电标准等级高的CAN电路接口静电放电模块。

为实现上述目的， CAN电路接口静电放电模块，包括第一CAN总线接口和第二CAN总线接口，所述第一、第二CAN总线接口的can-h（高位数据线）接线端和can-l（低位数据线）接线端之间连接有共模电感L1，第一CAN总线接口的can-h接线端与电气地之间连接有由瞬变电压抑制二极管D1和电容C1构成的第一并联电路；第一CAN总线接口的can-l接线端与电气地之间连接有由瞬变电压抑制二极管D2和电容C2构成的第二并联电路。优点在于解决CAN总线静电放电所带来的问题，在静电放电时保护CAN总线设备不被损坏、保证CAN总线数据传输速率不受影响。

附图说明

具体实施方式下面结合附图对实施例作详细说明，如图所示，所述的CAN电路接口静电放电模块，包括第一CAN总线接口J1和第二CAN总线接口J2，第一、第二CAN总线接口J1、J2的can-h（高位数据线）接线端和can-l（低位数据线）接线端之间连接有共模电感L，第一CAN总线接口J1的can-h接线端与电气地之间连接有由瞬变电压抑制二极管D1和电容C1构成的第一并联电路；第一CAN总线接口J1的can-l接线端与电气地之间连接有由瞬变电压抑制二极管D2和电容C2构成的第二并联电路。

共模电感L的1、2接线端串联在第一、第二CAN总线接口J1、J2的can-h接线端之间，共模电感的3、4接线端串联在第一、第二CAN总线接口J1、J2的can-l接线端之间，起到静电放电作用，保护CAN总线设备不受破坏，传输数据不受影响；电容C1、C2的的作用进一步起到静电放电目的；连接在第一CAN总线接口J1的 can-h、can-l接线端与电气地之间的瞬变电压抑制二极管D1、D2，使得静电干扰以最小的路径和最短的时间径泄放掉，防止干扰其他元器件。瞬变电压抑制二极管D1、D2的极间电容的容值≤10pF，电容C1、 C2的容值≤47pF，共模电感L的阻抗≤120欧姆，因此工作时不会影响CAN总线传输数据的速率。

随着现代工业化进程的飞速发展，工业控制设备、电力电子、电气设备静电放电保护应用越来越广泛。CAN电路采用串行通信协议，多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接数十个结点。CAN通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。因此CAN 电路端口的ESD保护非常重要，目前CAN电路没做静电放电防护措施，而常用的保护电路设计往往达不到静电放电标准的要求，导致CAN电路设备被损坏、CAN通信网络的数据传输速率受影响。

通过叉车的实际工况，ESD静电释放，会对CAN总线的可靠性产生影响的案例；静电放电并不是电解质强度试验，并非高电压的影响就比低电压的影响更大，因为放电瞬间电磁场非常强，且频谱非常宽，静电放电试验的标准波形在时域上是非常复杂的，所以静电试验并不是简单的电压影响，而是从频域上考虑，频谱非常复杂的一种电磁能量的影响。静电放电试验的结果一定程度上可以反映出集成电路板设计是否合理

提升静电释放抗干扰能力，符合IEC 61000-4-2 ESD测试设置；

• IEC 61000-4-2 ESD测试设置和有助于保护CAN收发器的瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管电路

• 为了保护CAN收发器不受上面提到的IEC 61000-4-2 ESD等恶劣瞬态电压的影响，可以在总线线路CANH和CANL上放置一个TVS二极管。这个TVS二极管作为一个钳制电路，将任何出现的高能脉冲引向接地，使其远离收发器。当选择一个二极管时，有一点要注意，要按照设计要求，使二极管的额定值达到预计能量等级；

消除静电的有效方法：

有效消除静电方案接地通常认为传导方式下静电干扰对设备的损伤会更显著。静电整改主要是防止放电电荷聚积，避免因电荷释放影响电子电路。设备外壳可选择非金属材质，或者在金属外壳处喷绝缘漆，防止静电电荷透过外壳干扰内部电路，对于外壳孔缝隙或者外露的可接触金属部分，加强其绝缘效果并做好接地。对于金属外壳要尽量避免因边缘部分重叠而增加的阻抗，尽可能使得金属外壳持续导电。对于存在显示屏或者控制面板的医疗设备，屏幕材料应选择耐高压的绝缘材质，考虑阻隔电荷从屏幕和缝隙处干扰内部电路。另外，可以对屏幕增加绝缘屏蔽层，将集聚电荷隔离在设备之外。设备外露的线缆，应使用屏蔽较好的电缆，用磁环多层缠绕，尽可能消耗感应电荷，屏蔽层做好接地，保证有效的释放线路静电接地的作用是泄放导体上可能集聚的电荷，使导体与大地等电位，使导体间电位差为零市场成熟产品。

参考文献： 《CAN总线设计及分布式控制》2012年清华大学出版社出版，作者张培仁

耿天文.基于 CAN 总线的汽车仪表系统[J/OL].吉林大学硕士学位论文,2007.

李长旺.单片机干扰技术设计.安徽电子信息职业技术学院学 报，2006，5（5）