保護汽車 CAN 總線系統免受 ESD 過壓事件的影響
1 CAN 總線概述
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202311/452552.htmCAN 是一個雙線差分通信接口，其物理層根據 ISO 11898-2 標準定義。該物理層包含 CAN 收發器和雙絞線，后 者將所有的 CAN 節點連接在一起。連接 CAN 收發器和電纜的兩條線路被稱為 CANH 和 CANL。另外，還建議用 一個分裂終端來端接 CANH 和 CANL 線路，以避免信號反射和高頻噪聲。圖 1-1 展示了典型的 CAN 總線設置。
圖 1-1. CAN 總線典型設置
CAN 協議可支持不同的速度。具體包括：
? 低速 (LS CAN)：高達 125kbps
? 高速 (HS CAN)：高達 1Mbps
? 靈活數據速率 (CAN FD)：高達 5Mbps
? 具有信號改善功能的 CAN (CAN SIC)：高達 8Mbps
? CAN XL：高達 10-20 Mbps（尚未發布）
2 ESD 的原因
ESD 可能發生在任何有外露連接器的系統上，包括 CAN 總線接口。通常，這些連接器在汽車裝配和維護時外 露。例如，在裝配一輛汽車時，需要將電纜布線與汽車中的控制模塊相連，這樣當它們穿過工廠時，這些模塊上 可能累積過量的電荷。在將這些電纜與裝有 CAN 收發器的控制模塊相連時，過量的電荷會從電纜流入模塊，然后 進入 CAN 收發器。根據工廠的環境條件和處理電纜布線的方式，這些放電可能高達 30kV，并永久地損壞 CAN 收發器，導致車輛無法操作。機修工對汽車執行維護時也可能發生這種情況，必須先斷開連接，然后再重新連接 此電纜布線。簡而言之，只要在系統中處理電纜布線，就有發生 ESD 的風險。
圖 2-1. CAN 總線 ESD 事件
3 ESD 保護要求
許多 CAN 收發器具有內置的 ESD 保護單元，但是為了減小芯片尺寸，它們大多數只能保護到 8kV。如前文所 述，根據不同環境，某些 ESD 沖擊可能高達 30kV。因此，需要使用外部 ESD 保護二極管來提高系統級的 ESD 性能。以下是在選擇正確的 ESD 保護二極管時需要考慮的主要事項和參數：
? 工作電壓 (Vrwm) 和極性
– 二極管的 Vrwm 取決于使用它們的應用。在理想條件下，CAN 總線電壓電平在 CANH 的 Vcc（5V 或 3.3V）和 CANL 的 0V 之間擺動。但是，在車輛中有一種取決于電池電壓的共模電壓。小型車輛將使用 12V 電池，大型車輛，比如 18 輪車，將使用 24V 電池。除了共模電壓外，如果汽車電池幾乎沒有電量， 還會出現不正常的借電啟動風險。要正確地借電啟動車輛，需將另一輛車的電池與無電電池并連。不了解這 點的人可能會將兩個電池串連，將汽車的整體電壓加倍。在 12V 電池的情況下，需要使用 24V ESD 二極 管，以確保在這種串聯借電啟動的情況下，它不會燒掉。在使用由兩塊 12V 單元組成的 24V 電池時，需要 使用一個 36V 二極管，因為這兩個電池單元將分別充電?？紤]到線路故障和誤接線，所有二極管都需要是 雙向二極管。
? IEC 61000-4-2 等級
– IEC 61000-4-2 標準定義了模擬現實 ESD 沖擊的波形，與模擬受控環境中 ESD 事件的人體放電模型 (HBM) 和充電器件模型 (CDM) 等波形相反。因為某些環境因素（比如濕度和溫度）會使 ESD 沖擊更加劇 烈，建議至少使用最小接觸等級為 15kV 的 ESD 二極管。
? ISO 10605 等級
– ISO 10605 標準定義了一種模擬汽車環境中現實 ESD 沖擊的波形。此波形定義了許多不同的電容和電阻組 合，與只需要 150pF/330? 的 IEC 61000-4-2 相反。這些組合的最大強度為 330pF/330?，這比 IEC 61000-4-2 波形更加強勁。要在嚴酷的汽車環境中經受住 ESD 沖擊，建議 ESD 二極管的最小接觸等級為 15kV。
? 電容
– ESD 二極管應具有低電容，以盡可能減少信號衰減。二極管最大許用電容可能因信號速度（LS CAN 與 CAN FD）、收發器電容、網絡規模和 CANH 與 CANL 線路上的其他器件（如濾波電容器）而異。通常， 建議將二極管電容保持在 15pF 以下。但是，系統架構師們一直在尋找電容盡可能低的二極管，以盡可能提 高系統的總電容預算。
? 鉗位電壓
– 鉗位電壓要求可能因使用的 CAN 收發器而異。務必注意，鉗位電壓應當低于 CANH 和 CANL 引腳的絕對 最大等級。
? 封裝
– 對于 CAN 應用，許多系統需要對其電路板進行自動光學檢查，以確認所有器件都已正確焊接?？紤]到這一 點，建議對 ESD 二極管使用引線式封裝，如 SOT-23 和 SC70。
4 系統級解決方案
TI 提供名為 ESD2CANxx 器件的 ESD 二極管陣列，可在許多不同的環境中為不同類型 CAN 收發器提供保護。它 們采用引線式雙通道封裝，具有專為 CAN 總線 ESD 保護設計的匹配電容。
圖 4-1. 受保護的 CAN 收發器
此外，將 ESD2CAN24-Q1 與 TCAN1042V-Q1 CAN 收發器配對使用，演示了它在 12V 汽車環境中提供系統級 ESD 抗擾能力的方法。本實驗中使用了兩個電路板：一個電路板只有 TCAN1042V-Q1，另一個電路板同時裝有 ESD2CAN24-Q1 和 TCAN1042V-Q1。
為測量信號完整性，兩個電路板都采用 5V 電源，并在 TXD 引腳上強制施加 500kHz (1Mbps) 的數字信號，來模 擬 HS CAN 環境。將一個示波器連接到 CANH（線路 1）、CANL（線路 2）、TXD（線路 3）和 RXD（線路 4），以觀察結果。如圖 4-2 和圖 4-3 中的結果所示，ESD2CAN24-Q1 二極管根本不會降級 CANH 和 CANL 信 號。
圖 4-2. 無二極管
圖 4-3. 具有 ESD2CAN24-Q1
為測量系統級 ESD 抗擾能力，兩個電路板的 CANH 和 CANL 引腳都受到了 +/-30kV ISO 10605 接觸脈沖的沖 擊。因為 TCAN1042V-Q1 額定只能承受 8kV ISO 10605 脈沖，所以沒有二極管的系統出現了故障。采用 ESD2CAN24-Q1 的系統則經受住了沖擊，因為 ESD2CAN24-Q1 將脈沖限制在收發器可以承受的足夠低的電壓水 平內。
5 總結
要在汽車環境中正常運行，CAN 總線這種接口需要有非常強大的 ESD 保護解決方案。要確保系統不僅不會出現 高壓瞬變，而且要盡可能減少電容，以實現不受約束的信號傳輸，選擇合適的保護二極管是不可或缺的一部分。 TI 的 ESD2CANxx 器件具有高 ESD 等級和低電容，可以為 CAN 總線接口提供出色的 ESD 保護。有關器件建 議，請參閱表 5-1。
表 5-1. 器件建議
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