汽車CAN總線保護簡析

第第頁汽車CAN總線保護簡析

汽車自問世以來取得了長足發(fā)展?，F在的汽車擁有眾多功能，包括自動和半（自動駕駛）、防抱死制動系統(tǒng)、電動助力轉向、前后碰撞警告、車道輔助、自動泊車輔助和自動緊急制動等。

GPS導航、車內氛圍照明、環(huán)視攝像頭、高級（信息）娛樂系統(tǒng)、有源（天線）等高級功能更是大多數現代汽車的標準配置。

每個車輛功能通常由單獨的（電子）控制單元(ECU)監(jiān)測和控制。每輛現代汽車中大約有50到100個ECU，每個ECU負責一項或多項功能。

ECU與多個（傳感器）一起工作，例如發(fā)動機溫度傳感器、氣壓傳感器、車門傳感器等。它接收來自傳感器的信息，并相應地調整控制的車輛（參數）。有時候，一個ECU可能需要與其他ECU（通信）以執(zhí)行指定的功能。

例如，如果您忘記把點火開關里的車鑰匙拔出來，那相應的發(fā)動機控制ECU就會與車門ECU通信，使車門保持打開狀態(tài)且揚聲器ECU發(fā)出警報。

通過（CAN）總線的ECU通信

同一車輛內部的不同ECU之間進行數據傳輸會用到多種車載（網絡）(IVN)協議。現代汽車最常用的通信機制是（控制器）局域網(CAN)總線。它是一種雙向串行通信總線，使ECU無需使用任何復雜的布線即可通信。它使用特性阻抗為120Ω的雙絞線傳輸數據。其中一根線被稱為CAN_Low(CAN_L)，另一根線被稱為CAN_High(CAN_H)，數據傳輸速率為1Mbit/s。

ECU通過CAN控制器（類似于處理所有活動必要數據的（微控制器））連接到CAN總線。還會有一個CAN（收發(fā)器）用于連接CAN控制器和CAN總線。它將（晶體管）-晶體管邏輯(TTL)（信號）轉換為實際的差分電壓信號，供CAN總線讀取及解釋。CAN總線架構如圖1所示。

圖1汽車CAN總線架構

CAN總線的瞬態(tài)保護

為具有50到100個ECU的嚴苛汽車環(huán)境設計CAN（接口）系統(tǒng)時，必須確保充分保護，以免受（電氣）過載事件(EOS)的影響。造成EOS的主要原因之一是靜電放電(（ESD）)。此外，隨著電子元件的小型化，保護元件免受ESD威脅并滿足現代汽車的安全性和可靠性要求，就變得更加重要。

可通過在CAN總線數據線上放置一個瞬態(tài)電壓抑制(（TVS）)（二極管）來實現瞬態(tài)保護，以防止上升沿在納秒級以下的瞬態(tài)事件。在正常工作條件下，TVS二極管在電路中呈現出高阻態(tài)，所以器件表現為開路。它不會干擾電路其余部分的正常工作。

在瞬態(tài)事件期間，受保護CAN收發(fā)器（端子）上的電壓可能會超過安全運行極限。此時TVS二極管通過提供低阻抗路徑，轉移收發(fā)器電路的瞬態(tài)（電流）來達到保護的目的。ESD事件結束后，TVS二極管將恢復到高阻抗狀態(tài)。

如前所述，CAN總線由CAN_H和CAN_L的兩條線組成。傳輸數據時，CAN_H的電平電壓會達到3.75V，而CAN_L降至1.25V。當CAN總線不傳輸數據時，CAN_H和CAN_L的電平電壓都保持為2.5V。

需要記住的是，汽車一般使用12V電池。雖然快速啟動通常使用的是12V電池，但某些服務車輛會使用24V電池。

因此，選擇TVS二極管的第一個標準是反向工作最大電壓或（VR）WM，如果緊急情況下汽車的12V電池需要從24V快速啟動，那么這些電壓足以保護CAN收發(fā)器。

選擇TVS二極管時要考慮的另一個參數是最小擊穿電壓或VBR。它是在瞬態(tài)情況下，TVS二極管開始傳導（產品）數據表中提到的泄漏電流時的電壓。

（Semtech）的μClamp2424PWQ（如圖2所示）是一款四通道器件，可保護CAN總線架構中的兩組CAN_H和CAN_L。μClamp2424PWQ的工作電壓為24V，最小擊穿電壓為26.5V。即使車輛需要快速啟動，這些電壓也足以保護CAN收發(fā)器。

圖2CAN總線系統(tǒng)可以使用的（ESD保護）選擇

我們再來看另一個重要參數——鉗位電壓或VCLAMP。VCLAMP是在最大峰值脈沖電流額定值下出現在器件兩端的TVS二極管電壓。

VCLAMP決定器件在瞬態(tài)事件期間承受的電壓。較低的鉗位電壓適合保護CAN總線系統(tǒng)或任何其他系統(tǒng)。μClamp2424PWQ在最大峰值電流為5A時的典型鉗位電壓為44V。每條器件線的額定最大EOS電流為5A(tp=8/20μs)。

CAN_H和CAN_L線承載最大數據速率為1Mbps的差分信號。由于它們是高速差分數據線，因此TVS二極管應在瞬態(tài)事件期間（保護電路），同時保持低的線間（電容），確保信號完整性。

μClamp2424PWQ在線地之間提供15pF（典型值）和18pF（最大值）的極低電容。因此它是保護CAN收發(fā)器而不破壞信號完整性的合適選擇。

符合第4級IEC61000-4-2標準和AEC-Q（認證）也是汽車系統(tǒng)設計必須達到的要求。根據IEC61000-4-2標準，μClamp2424PWQ可在±30kV（空氣）和±30kV（接觸）下提供ESD事件的瞬態(tài)保護。器件支持DFN(2.5x1.0x0.55mm)封裝，帶有先進的可濕性側面，用于自動視覺（檢測）(AVI)后組裝。圖3所示為μClamp2424PWQ的特性。

圖3μClamp2424PWQ的特性

結論

Semtech是TVS二極管的領先制造商，為世界上許多高速汽車通信總線提供保護。在惡劣的汽車環(huán)境中，精心設計和合適的TVS二極管對