汽车CAN总线保护简析

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 VRWM，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2 CAN 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 IEC 61000-4-2 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。