TVS二极管保护设计提高CAN总线可靠性

控制器局域网(CAN)总线是汽车和其他应用的常用总线标准,具有对过电压和过电流的高度内置抗扰度。但是,作为高级车辆电子网络的一部分,多达70个电子控制单元(ECU),设计人员越来越关注防止雷电和静电放电(ESD)等电气瞬变造成的损坏。这种敏感性增加了失败的风险,并有可能破坏车辆的可靠性。
尽管可以使用许多瞬态电压抑制(TVS)器件,但汽车应用通常受到严格的成本,重量和可靠性规范的限制。这些限制消除了许多更大,更复杂的TVS设备。但最近,制造商推出了适度TVS二极管的汽车级版本,提供廉价,紧凑和高度可靠的电路保护选项。此外,与某些替代方案不同,TVS二极管可提高CAN收发器的抗噪能力,并对高频通信信号完整性的影响可忽略不计。
本文介绍了TVS二极管如何为敏感的CAN总线实现提供高水平的廉价保护。本文将解释为什么重要的是不仅要选择汽车级器件,还要仔细考虑峰值电压和电流,电容,漏电流和钳位电压,以完全保护敏感的ECU和CAN收发器。然后,本文将介绍德州仪器安森美半导体BournsSemtech的合适TVS解决方案,并解释如何正确应用它们。

CAN简介

CAN的诞生是因为需要在不增加线束复杂性和重量的情况下为车辆添加更多电子设备。CAN标准规定了支持多个物理层(PHY)的强大对等网络,但最常见的PHY是高速版本(双线实现,使原始数据速率高达每秒1兆位(Mbit / s)。网络允许多个CAN设备(如ECU)之间的通信。连接的ECU只需要一个CAN接口(而不是多个模拟和数字I / O)连接到网络上的每个其他设备,从而消除了复杂和昂贵的接线。
典型的CAN总线差分(CAN H / CAN L)方案包括在串行总线上通信的收发器。标称特征阻抗为120欧姆(Ω)的双绞线电缆用于在总线上的节点之间传输信号。分裂终端拓扑通常用于提高电磁干扰(EMI)免疫力(图1)。
CAN总线图使用差分通信方案
图1:CAN总线使用差分通信方案,使收发器能够通过串行总线可靠地通信。(图片来源:Bourns)
虽然CAN ECU和收发器包含固有脆弱的硅,但预计它们可以承受极具挑战性的操作条件。例如,大多数汽车制造商要求对AEC-Q100进行认证,AEC-Q100是车辆电子设备的失效机理压力测试。主要汽车制造商还要求符合最新的国际标准(ISO 7637和IEC 61000-4-5)。这些标准规定了测试电气瞬变,旨在模拟车辆运行期间传导和耦合的电气干扰。
一些芯片供应商的产品符合这些规范。例如,德州仪器( TI)的SN65HVD1050DRG4 CAN收发器具有-27伏至40伏的交叉线,过压和失地保护以及过热关断功能。该芯片还可以承受ISO 7637中定义的-200伏至200伏瞬变。
高规格设备的一个缺点是成本,这是车辆设计中的一个关键考虑因素。其次,虽然硬化设备可能能够承受一段时间的电瞬变,但重复暴露可能会造成损坏。第三,闪电和ESD可能使汽车的电子设备暴露在超出某些标准要求的电压和电流之外。额外的保护,即电气瞬变被转移到地面并因此远离敏感的硅,对于追求更高可靠性的汽车制造商来说是值得的。

使用二极管的瞬态电压抑制

有几种用于实现电瞬态保护的既定技术。这些通常可以分类为阻塞,抑制或隔离。简单来说,阻塞使用熔断器和断路器,抑制采用TVS器件,如TVS二极管和金属氧化物压敏电阻(MOV),隔离取决于采用光耦合器和变压器等隔离器件。
阻塞是有效且廉价的。缺点是在设备激活后,需要更换或重置设备,这在汽车应用中非常不方便。在秤的另一端,隔离装置是完全有效的,不必更换或重置,但它们体积大,复杂且昂贵。TVS设备落在中间。它们通常有效,紧凑且价格适中。
TVS器件有多种类型,包括TVS二极管(和TVS二极管阵列),MOV和专有的瞬态电流抑制器件。虽然TVS二极管不是性能最高的TVS器件,但它们价格低廉且耐用(特别是与符合AEC-Q100和ISO 7637标准的CAN节点组合使用时),使其成为空间电路保护和成本受限汽车的理想选择。应用。
TVS二极管是一种p - n器件,专门设计有大的结截面积,可吸收高瞬态电流。虽然TVS二极管的电压/电流特性与齐纳二极管类似,但这些器件设计用于电压抑制而非电压调节。TVS二极管的一个关键优势是它对电瞬态的快速响应(通常在几纳秒内) - 将瞬态能量安全地转移到地,同时保持恒定的钳位电压 - 与其他抑制设备相比。
从理论上讲,保护机制很简单。在正常工作条件下,TVS二极管对受保护电路呈现高阻抗,但当超过受保护电路的安全工作电压时,TVS二极管工作在雪崩模式,为瞬态电流提供低阻抗接地路径。受保护电路所受的最大电压通常是适中的,并且限于二极管的钳位电压。在电瞬态电流消退后,TVS器件返回高阻态(图2)。
TVS二极管图通过提供接地路径来保护电路
图2:TVS二极管通过提供电气瞬变的接地路径来保护电路,同时将电压钳位到安全水平。(图片来源:Semtech)
实际上,CAN实现的保护电路更复杂,因为网络不仅提供功率,还提供通过差分信令方案承载的数据

用于CAN应用的TVS二极管选择

TVS二极管有两种类型,单向和双向。虽然每个都为正负浪涌提供保护,但关键的区别在于击穿电压(器件在雪崩模式下开始导通的电压,因此具有低阻抗)。双向器件在两个方向上提供相同的击穿电压,而单向器件具有低得多的击穿电压(等于二极管的正向偏置电压),用于负瞬态电压尖峰。
虽然单向和双向器件可用于相同的应用,但是在一些应用中,每个器件的不同击穿电压特性提供了优势。例如,如果CAN收发器服务于数字逻辑IC,则单向TVS二极管的低击穿电压至负电压可提供出色的保护。
双向TVS器件的主要优点之一是它们解决了共模偏移电压问题。发生这种情况是因为CAN收发器必须能够以信号线电压工作,信号线电压可以从标称电压电平偏移2.0伏特。由于双向TVS器件在正负方向上具有较大的钳位电压,因此不会因信号线偏移的影响而钳位。此外,双向TVS二极管可以直接替代固有的双向MOV。
CAN总线保护有几种替代拓扑。最简单的是使用包含两个双向二极管的TVS二极管装置,一个跨越CAN_H(或DATA_H)线和地,另一个跨越CAN_L(或DATA_L)线和地。替代布置将双向TVS二极管交换为单向器件(图3)。
双向(左)或单向(右)TVS二极管的示意图
图3:根据应用,可以使用双向(左)或单向(右),TVS二极管。制造商通常提供将两个二极管集成到单个封装中的解决方案。(图片来源:安森美半导体)
可以使用单独的TVS二极管来保护每条CAN数据线,但许多制造商提供将两个二极管集成到单个封装中的封装。例如,安森美半导体提供NUP2105LT1G TVS二极管,通过一个紧凑的SOT-23封装为每条CAN数据线提供双向保护。该器件可以处理350瓦的峰值功耗。该NUP1105LT1G是单向的等价物。
一旦设计人员确定了拓扑结构,就可以通过仔细选择具有符合应用需求的操作特性的TVS二极管来确定电路的性能。
双向TVS二极管的关键器件参数包括:
  • 反向工作电压(V RWM) - 这是最大直流工作电压。在该电压下,二极管处于非导通状态并且像高阻抗电容器一样起作用。
  • 反向击穿电压(V BR) - 这是器件以雪崩模式导通并变为低阻抗的点(通常在1毫安(mA)下测量)。
  • 峰值脉冲电流(I PP) - 为器件指定的最大浪涌电流。
  • 最大钳位电压(V C) - 这是I PP时二极管两端的最大压降。
  • 反向漏电流(I R) - 在V RWM处测量的电流。
  • 测试电流(I T) - 这是V BR的电流(图4)。
双向TVS二极管的电压/电流特性图
图4:双向TVS二极管的电压/电流特性,说明了关键器件参数。(图片来源:安森美半导体)
CAN规范详细说明了关键的收发器特性,这反过来决定了选择用于提供电瞬态保护的TVS二极管的特性。关键参数包括:
  • -3.0 / 16伏最小/最大总线电压(12伏系统)
  • -2.0 / 2.5伏最小/ CAN_L名称共模总线电压
  • 2.5 / 7.0伏特nom / max CAN_H共模总线电压
  • 建议≥±8.0千伏(kV)(接触)ESD
  • ISO 7673-3 / IEC 61000-4-5浪涌电流脉冲抗扰度
开发人员应考虑的第一个参数是V RWM和V BR。这些应足以使得在正常操作期间,TVS二极管呈现高阻抗,但不会高到使得设备在CAN收发器暴露于危险的高电压之前不开始导通。请注意,虽然自动电气系统通常使用12伏电池,但大多数设计用于在紧急情况下从24伏电源启动。TVS二极管的选择应考虑到这一点。
例如,安森美半导体NU2105L的V RWM为24伏,V BR为26.2伏,1毫安(mA)。Bourns CDSOT23-T24CAN CAN总线保护器是一款SOT-23封装的双向双向TVS二极管,具有相同的规格。
接下来,开发人员应检查TVS二极管的最大电容。大电容会破坏信号完整性。数据速率越快,电容应该越低。经验法则是信号线和地之间的最大电容为100皮法(pF),数据速率为125千比特每秒(kbits / s),35 pF(1Mbits / s)。请注意,有些数据表表示电容为0伏,而其他数据表则表示CAN收发器的平均电压为2.5伏。此外,两个差分信号的电容应匹配,以保持放大器输出信号中的脉冲宽度完整性。
例如,在0伏和1 Mbit / s时,Bourns CDSOT23-T24CAN在信号线和地之间的电容为22 pF。Semtech的UCLAMP2492SQTCT是一种SOT-23封装,内置两个双向TVS二极管,专为CAN总线抗浪涌能力而设计,在信号线和地之间具有15 pF(0伏和1 Mbit / s)的电容。
选择具有低反向漏电流(I R)的器件以最大化系统效率也是有意义的。请注意,I R随温度升高,因此在选择器件时应考虑操作条件。例如,NUP2105L 在25°C时的I R为0.1微安(μA),而UCLAMP2492SQTCT器件在25°C时的I R为0.2μA,在125°C 时为0.35μA 。
最后,开发人员应确保TVS二极管能够在不损坏的情况下耗散非重复电瞬态浪涌的能量,并且电瞬态峰值电流下的钳位电压不会损坏CAN收发器。
IEC 61000-4-5是IEC的标准,规定了如何测试浪涌抗扰度,详细说明了用于确定TVS二极管性能的典型浪涌波形。波形在8微秒(μs)内达到其峰值的90%,并在20μs内衰减到峰值的50%。数据手册通常将其称为“8 /20μs波形”(图5)。
波形参数示例图表(“8 /20μs”)
图5:IEC 61000-4-5中规定的波形参数示例(“8 /20μs”),用于测试TVS二极管的抗浪涌能力。(图片来源:Bourns)
Bourns CDSOT23-T24CAN TVS器件对11安培(A)8 /20μs波形的响应如图6所示。制造商引用的最大钳位电压为36 V(5 A浪涌)和40 V(8 A)浪涌。安森美半导体NUP2105L的等效数字为40和44伏,峰值功耗为350瓦,而Semtech UCLAMP2492SQTCT则为5伏时44伏。
Bourns CDSOT23-T24CAN响应11 A 8 /20μs波形的图表
图6:Bourns CDSOT23-T24CAN对11 A 8 /20μs波形的响应。请注意,TVS二极管封装对浪涌电流瞬态和钳位电压峰值的快速响应为36.4伏。(图片来源:Bourns)
一旦开发人员为工作选择了合适的TVS二极管,就应该仔细考虑最佳的印刷电路板布局以获得最佳性能。最重要的原则是,一旦被过电压激活,TVS二极管就可能将有害的浪涌引导远离CAN收发器,并在接地层中安全地消散。
例如,Bourns建议SOT-23器件应尽可能靠近总线连接器,并留有短信号线。该公司建议标准的10密耳,1盎司铜线足以处理典型电气瞬变的峰值电流水平。应使用短走线和通孔将器件的接地引脚连接到PCB接地层。最后,如果TVS二极管附近的信号侧有接地层,则该元件应直接连接到接地层(图7)。
Bourns的CDSOT23-T24CAN推荐的印刷电路板布局图
图7:Bourns的CDSOT23-T24CAN的推荐印刷电路板布局。SOT-23外壳TVS二极管应尽可能靠近CAN总线连接器放置。(图片来源:Bourns)

结论

成本,空间和重量限制限制了保护CAN总线设备免受雷电和ESD等极端事件影响的解决方案范围。然而,TVS二极管在这些约束和保护性能之间提供了可接受的折衷。成功实施的关键是将TVS二极管的电气特性与应用仔细匹配,以确保在不影响CAN总线的正常运行的同时保护。
最近推出的紧凑型(SOT-23)解决方案专为CAN汽车应用而设计,集成了单向或双向TVS器件,不仅简化了元件选择,还简化了设计复杂性和空间要求。

参考

  1. TVS二极管的电路配置选项,AND8231 / D,安森美半导体,2017年3月。
  2. CAN的TVS二极管选择指南,AND8181 / D,安森美半导体,2004年8月。

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