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汽车 CAN 总线保护

2021 年 9 月 22 日 / 作者 Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

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。

可通过在 CAN 总线数据线上放置一个瞬态电压抑制 (TVS) 二极管来实现瞬态保护,以防止在不到一纳秒的快速上升时间内发生瞬态事件。在正常工作条件下,TVS 二极管向受保护的电路提供一条高阻抗路径,因此器件是开路的。它不会干扰电路的其余部分。在瞬态事件期间,受保护 CAN 收发器端子上的电压可能会超过安全运行限制。TVS 二极管通过提供低阻抗路径来提供保护,以便转移收发器电路的瞬态电流。假设发生 ESD 事件,TVS 二极管将恢复到高阻抗状态。

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

现在我们来谈谈另一个重要参数,即钳位电压或 VCLAMP。VCLAMP 是在最大峰值脉冲电流额定值下出现在器件两端的 TVS 二极管电压。VCLAMP 决定器件在瞬态事件期间承受的电压。较低的钳位电压适合保护 CAN 总线系统或任何其他系统。µClamp2424PWQ 在最大峰值电流为 5A 时的典型钳位电压为 44V。每条器件线的额定最大 EOS 电流为 5A (tp = 8/20μs)。

CAN_H 和 CAN_L 线承载最大数据速率为 1Mbps 的差分信号。由于它们是高速差分数据线,因此 TVS 二极管应在瞬态事件期间保护电路,同时保持低的线间电容,确保信号完整性。µClamp2424PWQ 在线地之间提供 15pF(典型值)和 18pF(最大值)的极低电容。因此它是保护 CAN 收发器而不破坏信号完整性的合适候选者。

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,带有先进的可湿性侧面,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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主题:电路保护汽车

Anindita Bhattacharya

作者 Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya 是 Semtech 保护产品事业部的系统保护解决方案架构师。她也是圣何塞州立大学的兼职教授。

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