CAN/CAN FD接口的ESD防護保護方案

引言：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(fā)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(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30kV，并永久地損壞CAN收發(fā)器，導(dǎo)致車輛無法操作，只要在系統(tǒng)中處理電纜布線，就有發(fā)生ESD的風險。

1.CAN/CAN FD基礎(chǔ)

CAN

控制器局域網(wǎng) (CAN)
是許多汽車應(yīng)用中廣泛使用的通信協(xié)議，它是一個雙線差分通信接口，通常使用雙線、雙絞線電纜來傳輸和接收串行數(shù)據(jù)，其物理層根據(jù)ISO
11898-2標準定義。物理層包含CAN收發(fā)器和雙絞線，CAN收發(fā)器在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議控制器和物理總線線路之間提供物理鏈路，雙絞線將所有的CAN節(jié)點連接在一起。連接CAN收發(fā)器和電纜的兩條線路被稱為CANH和CANL，CANL是低CAN總線線路，在普通運行模式下，顯性態(tài)的值約為1.4V，隱性態(tài)的值為5V。在低功率模式下，CANL的電壓等于電池電壓。CANH是高CAN總線線路，在典型運行模式下，顯性態(tài)的值約為3.6V，隱性態(tài)的值以及低功率模式下的值為0V。另外，還建議用一個終端電阻來端接CANH和CANL線路，以避免信號反射和高頻噪聲。

高速CAN(ISO 11898的第2、5和6部分)指定傳輸速率最高為1Mbit/s，低速容錯CAN(ISO
11898的第3部分)指定速率最高為500Kbit/s。容錯通常意味著，在錯誤情況下，收發(fā)器可從差分接收和發(fā)送能力切換為單線發(fā)射器和/或接收器，這意味著最大單端(容錯)總線電壓為+12V，差分總線電壓為?12V。

CAN FD

由于需要傳輸和接收更多數(shù)據(jù)，汽車網(wǎng)絡(luò)中使用的ECU也越來越多，因此限制為1 Mbit/s的傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)不足以適應(yīng)未來需求。CAN
FD是CAN物理層的更新，主要區(qū)別在于靈活的數(shù)據(jù)速率，最高可達10Mbit/s，2Mbit/s是典型的數(shù)據(jù)傳輸速率限制，適用于不需要更高數(shù)據(jù)速率的許多應(yīng)用。

圖4-1：CAN系統(tǒng)架構(gòu)，帶有單個設(shè)備來保護CAN節(jié)點

如同任何其他外露連接器接口，CAN/CAN
FD接口會發(fā)生如靜電放電等高壓瞬變事件，在CAN總線連接器上安裝ESD保護二極管，外部鉗位電路可應(yīng)用于CANH和CANL線路，保護兩條CAN總線線路免受ESD及其他瞬變現(xiàn)象造成的損壞，以擴展網(wǎng)絡(luò)的ESD耐受性。不僅能夠保護CAN收發(fā)器正常通信，還能夠保護所有下游和相鄰系統(tǒng)免受ESD耦合能量的影響。

Tips：

CAN協(xié)議可支持不同的速度，具體包括：

1：低速 (LS CAN)：高達125kbps

2：高速 (HS CAN)：高達1Mbps

3：靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD)：高達10Mbps

4：具有信號改善功能的 CAN (CAN SIC)：高達8Mbps

5：CAN XL：高達10-20Mbps(尚未發(fā)布)

2.ESD保護要求

許多CAN收發(fā)器具有內(nèi)置的ESD保護單元，但是為了減小芯片尺寸，它們大多數(shù)只能保護到8kV。根據(jù)不同環(huán)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(tǒng)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(shù)：

1：工作電壓 (Vrwm) 和極性

二極管的Vrwm
取決于使用它們的場景，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。小型車輛使用12V電池，大型車輛使用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(xiàn)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(lián)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，考慮到線路故障和誤接線，所有二極管都需要是雙向二極管。

此外，由于CAN網(wǎng)絡(luò)可能短路接至電壓源，例如汽車電池，因此CANL和CANH線路上的ESD保護器件必須能夠耐受更高電壓電平。在快速啟動條件下，或者如果有兩個12V電池串聯(lián)，這意味著至少需要2×12V=24V的截止電壓VRWM。

2：IEC 61000-4-2等級

IEC 61000-4-2標準定義了模擬實際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)
等波形不同，某些環(huán)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。

3：ISO 10605等級

ISO 10605標準定義了一種模擬汽車環(huán)境中實際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不同，這些組合的最大強度為330pF/330?，這比IEC61000-4-2波形更加劇烈。要在嚴酷的汽車環(huán)境中經(jīng)受住ESD沖擊，建議ESD二極管的最小接觸等級為15kV。

4：電容

ESD二極管應(yīng)具有低電容，以盡可能減少信號衰減，二極管最大允許結(jié)電容可能因信號速度(LS CAN與CAN
FD)、收發(fā)器電容、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和CANH、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，以盡可能提高系統(tǒng)的總電容預(yù)算。

5：鉗位電壓VCL

鉗位電壓要求可能因使用的CAN收發(fā)器而異，鉗位電壓VCL應(yīng)當?shù)陀贑ANH和CANL引腳的絕對最大等級耐壓值。

6：封裝

對于CAN應(yīng)用，許多系統(tǒng)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，考慮到這一點，建議對ESD二極管使用引線式封裝，如SOT-23和SC70。

3.ESD保護實例

將ESD2CAN24-Q1與TCAN1042V-Q1
CAN收發(fā)器配對使用，演示了其如何在12V汽車環(huán)境中提供系統(tǒng)級ESD抗擾能力。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引腳上施加500kHz (1Mbps) 的數(shù)字信號，來模擬HS
CAN環(huán)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(jié)果。如圖4-2和圖
4-3中的結(jié)果所示，ESD2CAN24-Q1二極管根本不會劣化CANH和CANL信號。

圖4-2：無二極管

圖4-3：有ESD二極管

為測量系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)了故障，采用ESD2CAN24-Q1的系統(tǒng)則經(jīng)受住了沖擊，因為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)。

4.總結(jié)

為了確保穩(wěn)健的系統(tǒng)級保護，滿足汽車在各類環(huán)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(tǒng)不僅不會出現(xiàn)高壓瞬變，而且要盡可能減少電容，以實現(xiàn)不受約束的信號傳輸，CAN和CAN
FD推薦表4-1和表4-2參數(shù)。

表4-1：LIN總線ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

表4-2：LIN總線ESD/TVS diode選型參數(shù)參考