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汽车 CAN 总线保护

Circuit Protection, Automotive

Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

Principal Solutions Architect

汽车 CAN 总线保护汽车自问世以来取得了长足发展。如今汽车拥有众多功能,包括自动和半自动驾驶、防抱死制动系统、电动助力转向、前后碰撞警告、车道辅助、自动泊车辅助和自动紧急制动等。GPS 导航、车内氛围照明、环视摄像头、高级信息娱乐系统、有源天线等高级功能现在更是大多数汽车的标准配置。

每个车辆功能通常由单独的电子控制单元 (ECU) 监测和控制。每辆现代汽车中大约有 50 到 100 个 ECU,每个 ECU 负责一项或多项功能。ECU 与多个传感器一起工作,例如发动机温度传感器、气压传感器、车门传感器等。它接收来自传感器的信息,并相应地调整控制的车辆参数。有时,一个 ECU 可能需要与其他 ECU 通信以执行指定的功能。例如,如果您忘记把点火开关里的车钥匙拔出来,则相应的发动机控制 ECU 与车门 ECU 通信以保持车门打开,而扬声器 ECU 则发出警报。

通过 CAN 总线的 ECU 通信

多种车载网络 (IVN) 协议用于车辆内部 ECU 之间的数据传输。现代车辆中最流行的通信机制是控制器局域网 (CAN) 总线。它是一种双向串行通信总线,使 ECU 无需使用任何复杂的布线即可通信。它使用特性阻抗为 120Ω 的双绞线传输数据。其中一根线被称为 CAN_Low (CAN_L),另一根线被称为 CAN_High (CAN_H),数据传输速率为 1Mbit/s。ECU 通过 CAN 控制器(类似于处理所有活动必要数据的微控制器)连接到 CAN 总线。一个 CAN 收发器用于连接 CAN 控制器和 CAN 总线。它将晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 信号转换为实际的差分电压信号,供 CAN 总线读取及解释。CAN 总线架构如图 1 所示。

汽车 CAN 总线图 1图 1.汽车 CAN 总线架构

CAN 总线的瞬变保护

为具有 50 到 100 个 ECU 的严苛汽车环境设计 CAN 接口系统时,必须确保充分保护,以免受电气过载事件 (EOS) 的影响。造成 EOS 的主要原因之一是静电放电 (ESD)。此外,随着电子元件的小型化,保护元件免受 ESD 威胁并满足现代车辆的安全性和可靠性要求,就变得更加重要。

Transient protection can be achieved by placing a Transient Voltage Suppression (TVS) diode on a CAN bus data line to protect against transient events during the fast rise time in less than a nanosecond. Under normal operating conditions, the TVS diode presents a high impedance path to the protected circuit, so the device appears as an open circuit. It does not interfere with the rest of the circuit. During a transient event, the voltage on the terminals of the protected CAN transceiver can exceed safe operational limits. The TVS diode offers protection by providing a low impedance path so that the transient current is diverted away from the transceiver circuit. At the supposition of the ESD event, the TVS diode reverts to a high impedance state.

如前所述,CAN 总线由名为 CAN_H 和 CAN_L 的两条线组成。传输任何数据时,CAN_H 达到 3.75V,而 CAN_L 降至 1.25V。当 CAN 总线不传输任何数据时,CAN_H 和 CAN_L 都保持为 2.5V。但是我们要记住,汽车一般使用 12V 电池。虽然快速启动通常使用 12V 电池执行,但某些服务车辆为此使用 24V 电池。因此,选择 TVS 二极管的第一个标准是反向工作最大电压或 VRWM,如果紧急情况下汽车的 12V 电池需要从 24V 快速启动,那么这些电压足以保护 CAN 收发器。选择 TVS 二极管时要考虑的另一个参数是最小击穿电压或 VBR。它是在任何瞬态情况下,TVS 二极管开始传导产品数据表中提到的泄漏电流时的电压。Semtech 的 µClamp2424PWQ(如图 2 所示)是一款四通道器件,可保护 CAN 总线架构中的两组 CAN_H 和 CAN_L。µClamp2424PWQ 的工作电压为 24V,最小击穿电压为 26.5V。即使车辆需要快速启动,这些电压也足以保护 CAN 收发器。

汽车 CAN 总线图 2

图 2. CAN 总线系统可能的 ESD 保护选项

Now let us talk about another vital parameter called clamping voltage or VCLAMP. The VCLAMP is the voltage of a TVS diode that appears across the device at the maximum peak pulse current rating. VCLAMP determines the voltage that the device endures during a transient event. A lower clamping voltage is suitable for the protection of a CAN bus system or any other system. The typical clamping voltage of µClamp2424PWQ is 44V at a maximum peak current of 5A. Each device line is rated for a maximum EOS current of 5A (tp = 8/20μs).

The CAN_H and CAN_L lines carry a differential signal with a maximum data rate of 1Mbps. Since they are high-speed differential data lines, TVS diodes should protect the circuit during transient events while ensuring signal integrity by maintaining a very low line-to-line capacitance. µClamp2424PWQ offers an extremely low capacitance of 15pF (typ) and 18pF (max) between the line and the ground. This fact makes it a suitable candidate to protect the CAN transceivers without undermining the signal integrity.

符合第 4 级 IEC61000-4-2 标准和 AEC-Q 认证也是汽车系统设计必须达到的要求。根据 IEC 61000-4-2 标准,µClamp2424PWQ 可在 ±30kV(空气)和 ±30kV(接触)下提供 ESD 事件的瞬态保护。器件支持 DFN (2.5x1.0x0.55mm) 封装,带有先进的可焊性侧面,用于自动视觉检测 (AVI) 后组装。图 3 所示为 µClamp2424PWQ 的特性。

汽车 CAN 总线图 3_1图 3. µClamp2424PWQ 的特性

结论

Semtech 是 TVS 二极管的领先制造商,为世界上许多高速汽车通信总线提供保护。在恶劣的汽车环境中,精心设计和合适的 TVS 二极管对于保护通信总线和接口至关重要。Semtech 性能良好且可靠的 TVS 产品组合可保护高速汽车 CAN 总线以及其他通信总线。在我们的网站上详细了解 Semtech 为汽车行业提供的产品。

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