發布日期：2022-10-09 點擊率：94
控制器局域網 (CAN) 總線是汽車及其他應用的常用總線標準，對過壓和過流具有很高的內在抗擾度。但是，由于一輛高檔汽車的電路中包含多達 70 個電子控制單元 (ECU)，因此設計人員逐漸開始關注雷擊和靜電放電 (ESD) 等電氣瞬變所造成的損壞及其防護。這些單元的高靈敏度增大了故障的風險，并有可能降低汽車的可靠性。
盡管市面上有許多瞬態電壓抑制 (TVS) 器件可供選擇，但汽車應用常常在成本、重量和可靠性規范方面嚴格受限。這些限制致使許多較大、較復雜的 TVS 器件排除在選項之外。但是最近，有制造商推出了適用于汽車的 TVS 二極管，提供了一種經濟、緊湊和高度可靠的電路保護選擇。此外，與某些解決方案不同，TVS 二極管可提高 CAN 收發器的噪聲抗擾度，而對高頻通信信號完整性的影響可忽略不計。
本文介紹了在高敏感度的 CAN 總線應用中，TVS 二極管如何提供經濟的高水平保護。本文將闡釋設計選型時，不僅要選擇汽車級器件，慎重考慮峰值電壓和峰值電流、電容、漏電流和箝位電壓也相當關鍵，從而全面保護敏感的 ECU 和 CAN 收發器。此外，本文還將介紹 Texas Instruments、ON Semiconductor、Bourns 和 Semtech 推出的 TVS 適宜解決方案，并對其正確應用方式予以說明。
CAN 是由于汽車需要添加更多電子設備，卻不希望因此增加接線復雜性和附加線束重量而開發的。CAN 標準規定了支持多個物理層 (PHY) 的可靠對等網絡，但最常見的 PHY 主要是針對高速物理層（以雙線實現，使原始數據速率達到 1 Mbps）。這種網絡允許多個 CAN 設備（如 ECU）之間進行通信。所有連接的 ECU 只需一個 CAN 接口（而不是多個模擬和數字 I/O），即可連接到網絡上的任意設備，從而簡化了接線，降低了成本。
典型的 CAN 總線差分 (CAN H/CAN L) 方案包括串行總線上的收發器通信。在總線上，節點間的信號傳輸使用標稱特征阻抗為 120 Ω 的雙絞線電纜。分支端接拓撲常用于提高電磁干擾 (EMI) 抗擾度（圖 1）。
圖 1：CAN 總線使用差分通信方案，使收發器能夠通過串行總線實現可靠通信。（圖片來源：Bourns）
雖然 CAN ECU 和收發器是硅器件，具固有脆弱性，但仍有望能承受極富挑戰性的工作條件。例如，大多數汽車制造商必須通過 AEC-Q100 認證，AEC-Q100 是針對汽車電子設備的故障機制型應力測試標準。主要汽車制造商還要符合最新的國際標準（ISO 7637 和 IEC 61000-4-5）。這些標準規定了電氣瞬變測試，旨在模擬車輛運行期間由傳導和耦合產生的電氣干擾。
某些芯片供應商的產品符合這些規范。例如，Texas Instruments 的 SN65HVD1050DRG4 CAN 收發器具有跨線保護、過壓保護、接地丟失保護（-27 至 40 V）以及熱關斷功能。該芯片還可以承受 -200 至 200 V 的電壓瞬變，符合 ISO 7637 的規定。
這款高規格器件的一大劣勢在于成本過高，而這正是汽車設計中的一大關鍵考慮因素。其次，雖然硬化設備可能在短時間內能夠承受電氣瞬變，但反復承受可能會造成設備損壞。第三，雷擊和 ESD 可能使汽車電子設備暴露于超出某些標準要求的高電壓和大電流。因此采取額外的保護措施，使電氣瞬變轉移至大地，從而保護敏感的硅器件，對于追求高可靠性的汽車制造商而言，此舉大有裨益。
目前，有幾種技術可實現瞬態電氣保護，通常可分為阻斷、抑制或隔離三類。簡單來說，阻斷保護采用熔斷器和斷路器，抑制保護采用 TVS 二極管和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 等 TVS 器件，隔離保護則采用光耦合器和變壓器等隔離設備。
阻斷保護有效且經濟，但不足之處在于設備觸發后，需要更換或重置設備，這在汽車應用中相當不便。然而在天平的另一端，隔離裝置雖說絕對有效，也無需更換或重置，但體積龐大、應用復雜且價格昂貴。TVS 器件正好不落兩邊，通常有效、緊湊且價格適中。
TVS 器件種類多樣，包括 TVS 二極管（和 TVS 二極管陣列）、MOV 和專門的瞬態電流抑制器。雖然 TVS 二極管不是性能最佳的 TVS 器件，但經濟實惠且堅固耐用（特別是與符合 AEC-Q100 和 ISO 7637 標準的 CAN 節點配合使用時），使其成為空間和成本均受限的汽車應用電路保護的理想之選。
TVS 二極管的 p-n 結橫截面積比一般穩壓器件大，可吸收較大的瞬態電流。雖然 TVS 二極管的電壓/電流特性與齊納二極管相似，但 TVS 二極管旨在抑制電壓而非調節電壓。與其他抑制保護設備相比，TVS 二極管的一大關鍵優勢在于對電氣瞬變的快速響應（通常在幾納秒內）——將瞬態能量安全轉移至大地，同時保持恒定的箝位電壓。
從理論上講，這種保護機制簡單易行。在正常工作條件下，TVS 二極管對受保護電路呈高阻抗，但是超過受保護電路的安全工作電壓時，TVS 二極管工作于雪崩模式，為瞬態電流提供低阻抗接地通路。受保護電路的最大電壓通常不大，且受限于 TVS 二極管的箝位電壓。瞬態電流減小后，TVS 器件恢復高阻態（圖 2）。
圖 2：TVS 二極管為電氣瞬變提供接地通路，同時將電壓箝制在安全水平，從而保護電路。（圖片來源：Semtech）
實際上，CAN 應用的保護電路更為復雜，因為這種網絡不僅供電，還需通過差分通信方案傳輸數據。
TVS 二極管有兩種類型，分為單向與雙向。兩種二極管均對正負浪涌提供保護，而主要區別在于擊穿電壓（即器件在雪崩模式下的導通電壓，此時器件呈低阻抗）。對于正負脈沖，雙向器件具有相同的擊穿電壓，而單向器件對于負瞬態電壓尖峰的擊穿電壓則低得多（等于二極管的正向偏置電壓）。
盡管單向和雙向器件可用于相同的應用，但是某些應用中，兩種器件的擊穿電壓特性不同，表現出的優勢也就有所不同。例如，CAN 收發器用于數字邏輯 IC 時，單向 TVS 二極管對負脈沖的低擊穿電壓即可提供出色的保護。
雙向 TVS 器件的主要優勢之一在于能夠解決共模補償電壓問題。出現這種問題是因為 CAN 收發器必須以信號線電壓工作，而信號線電壓可能相對標稱電壓偏移達 2.0 V。由于雙向 TVS 器件在正負方向上均具有較大的箝位電壓，因此不會受信號線電壓偏移影響而出現箝位。此外，雙向 TVS 二極管還可以直接替代固有雙向 MOV。
CAN 總線保護有幾種替代拓撲可選。最簡單的是使用兩個雙向 TVS 二極管，一個連接 CAN_H（或 DATA_H）線與地，另一個連接 CAN_L（或 DATA_L）線與地。另一種方式即將雙向 TVS 二極管換成單向器件（圖 3）。
圖 3：根據應用的不同，可以使用雙向（左）或單向（右）TVS 二極管。制造商提供的解決方案常常將兩個二極管集成在單個封裝中。（圖片來源：ON Semiconductor）
雖然每個 CAN 數據線可使用單獨的 TVS 二極管來保護，但許多制造商都將兩個二極管集成在單個封裝中。例如，ON Semiconductor 推出的 NUP2105LT1G TVS 二極管，采用緊湊型 SOT?23 封裝，可為兩個 CAN 數據線提供雙向保護。該器件可承受的峰值功率耗散為 350 W。NUP1105LT1G 是等效的單向器件。
一旦設計人員確定了拓撲結構，就必須仔細挑選工作特性符合應用需求的 TVS 二極管，因為這一步決定了電路的性能。
雙向 TVS 二極管的主要器件參數包括：
反向工作電壓 (VRWM) - 即最大直流工作電壓。在該電壓下，二極管處于非導通狀態，其作用相當于高阻抗的電容器。
反向擊穿電壓 (VBR) - 器件在雪崩模式下導通并變為低阻抗時的電壓（通常在 1 mA 電流下測得）。
峰值脈沖電流 (IPP) - 器件特定的最大浪涌電流。
最大箝位電壓 (VC) - IPP 下，二極管兩端的最大壓降。
反向漏電流 (IR) - VRWM 下測得的電流。
測試電流 (IT) - VBR 下的電流（圖 4）。
圖 4：雙向 TVS 二極管的電壓/電流特性，其中說明了主要器件參數。（圖片來源：ON Semiconductor）
CAN 規范詳細規定了收發器的主要特性，以此便可確定用于瞬態電氣保護的 TVS 二極管所需具備的特性。主要參數包括：
最小/最大總線電壓分別為 -3.0/16 V（12 V 系統）
最小/標稱 CAN_L 共模總線電壓分別為 -2.0/2.5 V
標稱/最大 CAN_H 共模總線電壓分別為 2.5/7.0 V
建議接觸 ESD ≥±8.0 kV
符合 ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 浪涌電流脈沖抗擾度要求
開發人員首先應考慮的參數是 VRWM 和 VBR。滿足這兩個參數對于正常工作來說足夠了，此時 TVS 二極管呈高阻抗狀態，但不能太高，以免 CAN 收發器未暴露于危險的高電壓就發生了導通。請注意，雖然汽車電氣系統通常使用 12 V 電池運作，但大多數系統會設計成在緊急情況下跳至 24 V 啟動。選擇 TVS 二極管時應考慮到這一點。
例如在 1 mA 下，ON Semiconductor NU2105L 的 VRWM 為 24 V，VBR 為 26.2 V。Bourns 的 CDSOT23-T24CAN CAN 總線保護器包含兩個具有相同規格的雙向 TVS 二極管，集成在單個 SOT-23 封裝中。
接下來，開發人員應檢查 TVS 二極管的最大電容。大電容會破壞信號的完整性。數據速率越快，電容應該越小。根據經驗，數據速率為 125 Kbps 時，信號線與地之間的最大電容最好為 100 pF，1 Mbps 時為 35 pF。請注意，有些規格書顯示為 0 V 電壓下的電容，而另一些則顯示 CAN 收發器平均電壓即 2.5 V 下的電容。此外，兩個差分信號的電容應相匹配，以維持放大器輸出信號脈沖寬度的完整性。
例如，0 V 和 1 Mbit/s 時，Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 信號線與地之間的電容為 22 pF。Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT 包含兩個雙向 TVS 二極管，集成在單個 SOT-23 封裝中，專為 CAN 總線抗浪涌而設計，信號線與地之間的電容為 15 pF（0 V 和 1 Mbit/s 時）。
選型時，應選擇反向漏電流 (IR) 較小的器件，以最大限度地提升系統能效。請注意，IR 會隨溫度升高而增大，因此在選擇器件時務必考慮工作條件。例如，NUP2105L 在 25 °C 時 IR 為 0.1 μA，而 UCLAMP2492SQTCT 器件在 25 °C 時 IR 為 0.2 μA，125 °C 時為 0.35 μA。
最后，開發人員應確保 TVS 二極管能夠耗散非重復性電氣瞬態浪涌的能量，而不至于損壞器件，并且電氣瞬態峰值電流下的箝位電壓不會損壞 CAN 收發器。
IEC 61000-4-5 是國際電工委員會 (IEC) 發布的標準，規定了浪涌抗擾度的測試方法，詳細闡示了用于確定 TVS 二極管性能的典型浪涌波形。波形在 8 μs 內達到峰值的 90%，并在 20 μs 內衰減到峰值的 50%。規格書中通常將其稱為“8/20 μs 波形”（圖 5）。
圖 5：IEC 61000-4-5 中規定的波形參數 ("8/20 μs") 示例，用于 TVS 二極管的浪涌抗擾度測試。（圖片來源：Bourns）
Bourns 的 CDSOT23-T24CAN TVS 器件對 11 A 浪涌電流的 8/20 μs 波形響應如圖 6 所示。該制造商給出的 5 A 浪涌電流的最大箝位電壓為 36 V，8 A 浪涌電流為 40 V。ON Semiconductor 的 NUP2105L 在對應浪涌電流下的最大箝位電壓分別為 40 V 和 44 V，峰值耗散功率為 350 W，而 Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT 在 5 A 浪涌電流下為 44 V。
圖 6：Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 對 11 A 浪涌電流的 8/20 μs 波形響應。請注意，TVS 二極管封裝對瞬態浪涌電流作出了快速響應，并將峰值電壓箝制在 36.4 V。（圖片來源：Bourns）
一旦開發人員為項目選擇了合適的 TVS 二極管，就必須慎重考慮印刷電路板的最佳布局以獲得最佳性能。最重要的原則是，一旦在過壓情況下導通，TVS 二極管就須將有害的浪涌引導至接地平面，安全耗散浪涌能量，從而保護 CAN 收發器。
例如，Bourns 建議 SOT-23 器件應盡量靠近總線連接器，與信號線的連接印制線盡可能短。該公司還建議使用 10 mil、1 oz 的標準銅印制線，這樣才能足以承受典型電氣瞬變的峰值電流。使用較短印制線和通孔，將器件的接地引腳連接到印刷電路板的接地平面。最后，如果 TVS 二極管的信號側附近有接地平面，則應直接連接到接地平面（圖 7）。
圖 7：Bourns CDSOT23-T24CAN 的推薦印刷電路板布局。采用 SOT-23 封裝的 TVS 二極管應盡量靠近 CAN 總線連接器。（圖片來源：Bourns）
在保護 CAN 總線設備免受雷擊和 ESD 等極端事件影響方面，成本、空間和重量的限制也限制了解決方案的范圍。不過，TVS 二極管能在這些限制和保護性能之間取得平衡，獲得讓人比較能接受的結果。成功實現的關鍵在于 TVS 二極管的電氣特性就與應用須嚴格匹配，以確保既不影響 CAN 總線的正常工作，又能發揮保護作用。
近期推出的緊湊型 (SOT-23) 解決方案專為汽車 CAN 應用而設計，集成單向或雙向 TVS 器件，不僅簡化了元器件選型，還減少了設計復雜度和空間要求。
Circuit Configuration Options for TVS Diodes, AND8231/D, ON Semiconductor, March 2017.
TVS Diode Selection Guidelines for the CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, August 2004.
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