1 アプリケーション・ブリーフ

概要：

多くの産業用および車載用アプリケーションにおいて信号絶縁の使用が増加したため、絶縁型電源の需要も高まっています。絶縁バリアの一方の側にある電源が短絡されると、絶縁の利点は失われます。また、絶縁型電源サブシステムを注意深く設計しないと、電力伝送効率の低下による温度上昇や、エミッションによるデータの破損など、システム全体の性能に影響します。この資料では、絶縁型 CAN サブシステムの設計プロセスを簡素化できるように、CAN 信号と電源を絶縁するためのさまざまなオプション (ディスクリートと統合の両方) を示します。

絶縁型電源のディスクリート実装：

図 1 に、絶縁型 CAN サブシステム用のディスクリート絶縁型信号と電源ソリューションの例を示します。絶縁型 CAN の機能は、送信 (TXD) および受信 (RXD) 信号用に各方向に 1 つのチャネルを提供するデジタル・アイソレータ ISO7721 と、データレートがフレキシブルなフォルト保護 CAN トランシーバ TCAN1042H を使用して実現しています。

SN6501 デバイスはプッシュプル・トランス・ドライバで、外付けトランス、整流ダイオード、LDO と組み合わせて絶縁型電源を生成するのに使用できます。必要なレギュレーションによって、LDO はオプションです。トランスの 1 次側で 350mA までのトランス・ドライバ電流を供給する場合は、SN6501 で十分です。ドライバ電流をこれより大きくする必要がある場合は、駆動電流が 1A の SN6505A または SN6505B の方が適しています。

図 1 のディスクリート・アイソレータと CAN を絶縁型 CAN デバイスに置き換えると、図 2 に示すように信号チェーンを簡素化できます。絶縁型電源ソリューションは、従来のディスクリート実装と同じです。この設計では、絶縁型 CAN ISO1042 デバイスにより、デバイス数が 1 つ削減され、ループ時間が短縮されて、高いレベルの保護が実現されます。このソリューションは、従来のディスクリート・ソリューションのすべての利点を備えているだけでなく、欠点は追加されません。

システム内に同じ絶縁型電源から電源を供給する絶縁型 CAN デバイスが複数存在する場合、このアーキテクチャでは LDO の出力をすべての絶縁型 CAN デバイスに電源を供給するのに使用できるので、信号チェーン・セクションがコンパクトになります。TIDA-01255 は、ディスクリート実装向けの詳細なリファレンス・デザインで、車載用および産業用 CAN システムに適用できます。

• このソリューションの利点：
  • 外付けトランスの使用により電力伝送効率を向上 (約 70～80%)。
  • トランス・ドライバのスイッチング周波数を低くすることで、エミッションを最小限に抑えることが可能。
  • 任意の CAN トランシーバ、デジタル・アイソレータ、シングルチップ絶縁型 CAN を使用できるフレキシビリティ。
  • 絶縁型電源は複数の絶縁型 CAN トランシーバに電流を供給可能。
  図 1 絶縁型 CAN サブシステムのディスクリート実装
  図 2 絶縁型 CAN トランシーバを使用した絶縁型 CAN サブシステムのディスクリート実装

• このソリューションの欠点：
  • ディスクリート部品により基板面積が大きくなる。
  • トランスは大きく高さが必要なため、基板の近接積層が制限される。
  • すべての絶縁部品が個別の認定を必要とする。

絶縁型電源内蔵の絶縁型 CAN：

ISOW1044 を使用すると、絶縁型 CAN と電源の同じ機能を実現できます。これは、図 3 に示すように、すべての絶縁機能と CAN FD トランシーバを 1 つの 20-SOIC パッケージに統合した単一デバイスです。ISOW1044 チップ内にトランスが内蔵されているため、X と Y の寸法だけでなく、Z (高さ) の寸法でもスペースを節約できます。また、ISOW1044 には別の 10Mbps GPIO チャネルが搭載されているため、ボードから他のデジタル・アイソレータやフォトカプラをさらに除去するのに役立ちます。

図 3 絶縁型 CAN サブシステムの統合実装

• このソリューションの利点：
  • ソリューションの高さを低減するコンパクトなソリューション。
  • 絶縁型コンポーネントが 1 つだけなので、認定と設計が容易。
  • 適切な定格のトランスを見つける負担を軽減。
  • この低放射設計により、最終的なシステムで 2 層 PCB 上にフェライト・ビーズを 2 個だけ使用して、CISPR 32 放射エミッション Class B 制限ラインを満たすことが可能。
• このソリューションの欠点：
  • オンチップ・トランスにより電力伝送効率が 47% に制限される。
  • トランスが内蔵されているためスイッチング周波数が高くなり、一般にディスクリート実装よりもエミッションが高くなる。
  • このデバイスは内蔵 CAN トランシーバに対してのみ最大 20mA の追加出力電流で絶縁型電源を生成するため、絶縁型電源が主に 1 つの CAN インターフェイスに必要なシステムに最適。

特殊なケース

絶縁型電源のディスクリート実装または統合実装で、3.3V または 5V の電源を 1 次側に容易に供給できない場合があります。たとえば、PLC アプリケーションは 24V 電源を使用し、車載アプリケーションは 12V バッテリを使用する場合などです。このような場合、図 4 に示すように、トランス・ドライバ SN650x の前に適切な LDO を追加して、トランス・ドライバに必要な 5V レベルに降圧することができます。トランスは高電圧電源で駆動され、絶縁型 CAN に電源を供給するために 2 次側に 5V を供給できるように巻線比が選択されます。トランスのセンター・タップは SN650x 定格より高い電圧に接続されているため、高電圧 FET を使用してトランス・ドライバの出力 D1、D2 を保護します。効率の低下を低減するため、R_DS(ON) を可能な限り低く保つように FET のサイズを調整する必要があります。

図 4 1 次側電圧が高い場合

まとめ

絶縁型 CAN システムの設計に最適なコンポーネントを選択することは重要です。ディスクリート・ソリューションまたは統合ソリューションのどちらを選択するかは、サイズおよび設計のしやすさと、効率およびエミッションの間のトレードオフを考慮して決定する必要があります。絶縁型電源のディスクリート実装では、効率の向上とエミッションの低減を実現でき、絶縁型電源の統合型ソリューションでは、スペースに制約のあるアプリケーションでコンパクトなソリューションを実現できます。