保護(hù)汽車 CAN 總線系統(tǒng)免受 ESD 過壓事件的影響

1 CAN 總線概述 

CAN 是一個(gè)雙線差分通信接口，其物理層根據(jù) ISO 11898-2 標(biāo)準(zhǔn)定義。該物理層包含 CAN 收發(fā)器和雙絞線，后 者將所有的 CAN 節(jié)點(diǎn)連接在一起。連接 CAN 收發(fā)器和電纜的兩條線路被稱為 CANH 和 CANL。另外，還建議用 一個(gè)分裂終端來端接 CANH 和 CANL 線路，以避免信號(hào)反射和高頻噪聲。圖 1-1 展示了典型的 CAN 總線設(shè)置。

圖 1-1. CAN 總線典型設(shè)置 

CAN 協(xié)議可支持不同的速度。具體包括： 

? 低速 (LS CAN)：高達(dá) 125kbps 

? 高速 (HS CAN)：高達(dá) 1Mbps 

? 靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD)：高達(dá) 5Mbps 

? 具有信號(hào)改善功能的 CAN (CAN SIC)：高達(dá) 8Mbps 

? CAN XL：高達(dá) 10-20 Mbps（尚未發(fā)布） 

2 ESD 的原因 

ESD 可能發(fā)生在任何有外露連接器的系統(tǒng)上，包括 CAN 總線接口。通常，這些連接器在汽車裝配和維護(hù)時(shí)外 露。例如，在裝配一輛汽車時(shí)，需要將電纜布線與汽車中的控制模塊相連，這樣當(dāng)它們穿過工廠時(shí)，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(fā)器的控制模塊相連時(shí)，過量的電荷會(huì)從電纜流入模塊，然后 進(jìn)入 CAN 收發(fā)器。根據(jù)工廠的環(huán)境條件和處理電纜布線的方式，這些放電可能高達(dá) 30kV，并永久地?fù)p壞 CAN 收發(fā)器，導(dǎo)致車輛無法操作。機(jī)修工對(duì)汽車執(zhí)行維護(hù)時(shí)也可能發(fā)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(jiǎn)而言之，只要在系統(tǒng)中處理電纜布線，就有發(fā)生 ESD 的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 2-1. CAN 總線 ESD 事件

3 ESD 保護(hù)要求 

許多 CAN 收發(fā)器具有內(nèi)置的 ESD 保護(hù)單元，但是為了減小芯片尺寸，它們大多數(shù)只能保護(hù)到 8kV。如前文所 述，根據(jù)不同環(huán)境，某些 ESD 沖擊可能高達(dá) 30kV。因此，需要使用外部 ESD 保護(hù)二極管來提高系統(tǒng)級(jí)的 ESD 性能。以下是在選擇正確的 ESD 保護(hù)二極管時(shí)需要考慮的主要事項(xiàng)和參數(shù)： 

? 工作電壓 (Vrwm) 和極性 

– 二極管的 Vrwm 取決于使用它們的應(yīng)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(dòng)。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(huì)出現(xiàn)不正常的借電啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。要正確地借電啟動(dòng)車輛，需將另一輛車的電池與無電電池并連。不了解這 點(diǎn)的人可能會(huì)將兩個(gè)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(lián)借電啟動(dòng)的情況下，它不會(huì)燒掉。在使用由兩塊 12V 單元組成的 24V 電池時(shí)，需要 使用一個(gè) 36V 二極管，因?yàn)檫@兩個(gè)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(jí) 

– IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)定義了模擬現(xiàn)實(shí) ESD 沖擊的波形，與模擬受控環(huán)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?yàn)槟承┉h(huán)境因素（比如濕度和溫度）會(huì)使 ESD 沖擊更加劇 烈，建議至少使用最小接觸等級(jí)為 15kV 的 ESD 二極管。 

? ISO 10605 等級(jí) 

– ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)定義了一種模擬汽車環(huán)境中現(xiàn)實(shí) 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(qiáng)度為 330pF/330?，這比 IEC 61000-4-2 波形更加強(qiáng)勁。要在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中經(jīng)受住 ESD 沖擊，建議 ESD 二極管的最小接觸等級(jí)為 15kV。 

? 電容 

– ESD 二極管應(yīng)具有低電容，以盡可能減少信號(hào)衰減。二極管最大許用電容可能因信號(hào)速度（LS CAN 與 CAN FD）、收發(fā)器電容、網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(tǒng)架構(gòu)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(tǒng)的總電容預(yù)算。

? 鉗位電壓 

– 鉗位電壓要求可能因使用的 CAN 收發(fā)器而異。務(wù)必注意，鉗位電壓應(yīng)當(dāng)?shù)陀?CANH 和 CANL 引腳的絕對(duì) 最大等級(jí)。 

? 封裝 

– 對(duì)于 CAN 應(yīng)用，許多系統(tǒng)需要對(duì)其電路板進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢查，以確認(rèn)所有器件都已正確焊接。考慮到這一 點(diǎn)，建議對(duì) ESD 二極管使用引線式封裝，如 SOT-23 和 SC70。

4 系統(tǒng)級(jí)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(huán)境中為不同類型 CAN 收發(fā)器提供保護(hù)。它 們采用引線式雙通道封裝，具有專為 CAN 總線 ESD 保護(hù)設(shè)計(jì)的匹配電容。

圖 4-1. 受保護(hù)的 CAN 收發(fā)器 

此外，將 ESD2CAN24-Q1 與 TCAN1042V-Q1 CAN 收發(fā)器配對(duì)使用，演示了它在 12V 汽車環(huán)境中提供系統(tǒng)級(jí) ESD 抗擾能力的方法。本實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)電路板：一個(gè)電路板只有 TCAN1042V-Q1，另一個(gè)電路板同時(shí)裝有 ESD2CAN24-Q1 和 TCAN1042V-Q1。 

為測(cè)量信號(hào)完整性，兩個(gè)電路板都采用 5V 電源，并在 TXD 引腳上強(qiáng)制施加 500kHz (1Mbps) 的數(shù)字信號(hào)，來模 擬 HS CAN 環(huán)境。將一個(gè)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(jié)果。如圖 4-2 和圖 4-3 中的結(jié)果所示，ESD2CAN24-Q1 二極管根本不會(huì)降級(jí) CANH 和 CANL 信 號(hào)。

圖 4-2. 無二極管

圖 4-3. 具有 ESD2CAN24-Q1 

為測(cè)量系統(tǒng)級(jí) ESD 抗擾能力，兩個(gè)電路板的 CANH 和 CANL 引腳都受到了 +/-30kV ISO 10605 接觸脈沖的沖 擊。因?yàn)?TCAN1042V-Q1 額定只能承受 8kV ISO 10605 脈沖，所以沒有二極管的系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。采用 ESD2CAN24-Q1 的系統(tǒng)則經(jīng)受住了沖擊，因?yàn)?ESD2CAN24-Q1 將脈沖限制在收發(fā)器可以承受的足夠低的電壓水 平內(nèi)。 

5 總結(jié) 

要在汽車環(huán)境中正常運(yùn)行，CAN 總線這種接口需要有非常強(qiáng)大的 ESD 保護(hù)解決方案。要確保系統(tǒng)不僅不會(huì)出現(xiàn) 高壓瞬變，而且要盡可能減少電容，以實(shí)現(xiàn)不受約束的信號(hào)傳輸，選擇合適的保護(hù)二極管是不可或缺的一部分。 TI 的 ESD2CANxx 器件具有高 ESD 等級(jí)和低電容，可以為 CAN 總線接口提供出色的 ESD 保護(hù)。有關(guān)器件建 議，請(qǐng)參閱表 5-1。

表 5-1. 器件建議