汽车CAN总线保护简析

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汽车自问世以来取得了长足发展。现在的汽车拥有众多功能，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）等高级功能更是大多数现代汽车的标准配置。

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）。有时候，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，那相应的发动机控制ECU就会与车门ECU通信，使车门保持打开状态且扬声器ECU发出警报。

通过（CAN）总线的ECU通信

同一车辆内部的不同ECU之间进行数据传输会用到多种车载（网络）(IVN)协议。现代汽车最常用的通信机制是（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。还会有一个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。

图1汽车CAN总线架构

CAN总线的瞬态保护

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威胁并满足现代汽车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，以防止上升沿在纳秒级以下的瞬态事件。在正常工作条件下，TVS二极管在电路中呈现出高阻态，所以器件表现为开路。它不会干扰电路其余部分的正常工作。

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极限。此时TVS二极管通过提供低阻抗路径，转移收发器电路的瞬态（电流）来达到保护的目的。ESD事件结束后，TVS二极管将恢复到高阻抗状态。

如前所述，CAN总线由CAN_H和CAN_L的两条线组成。传输数据时，CAN_H的电平电压会达到3.75V，而CAN_L降至1.25V。当CAN总线不传输数据时，CAN_H和CAN_L的电平电压都保持为2.5V。

需要记住的是，汽车一般使用12V电池。虽然快速启动通常使用的是12V电池，但某些服务车辆会使用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（VR）WM，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。

图2CAN总线系统可以使用的（ESD保护）选择

我们再来看另一个重要参数——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选择。

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IEC61000-4-2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。

图3µClamp2424PWQ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