汽車CAN總線保護簡析

汽車自問世以來取得了長足發展。現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、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、環視攝像頭、高級信息娛樂系統、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，那相應的發動機控制 ECU就會與車門 ECU 通信，使車門保持打開狀態且揚聲器ECU發出警報。

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 總線的瞬態保護

為具有 50 到 100 個 ECU 的嚴苛汽車環境設計 CAN 接口系統時，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電壓抑制 (TVS) 二極管來實現瞬態保護，以防止上升沿在納秒級以下的瞬態事件。在正常工作條件下，TVS 二極管在電路中呈現出高阻態，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。

在瞬態事件期間，受保護 CAN 收發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，轉移收發器電路的瞬態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。

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 VRWM，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 收發器。

圖2 CAN 總線系統可以使用的 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 總線系統或任何其他系統。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 認證也是汽車系統設計必須達到的要求。根據 IEC 61000-4-2 標準，μClamp2424PWQ 可在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供 ESD 事件的瞬態保護。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。