引言：ESD可能發(fā)生在任何有外露連接器的系統(tǒng)上，包括CAN總線接口，通常這些連接器在汽車裝配和維護(hù)時(shí)外露。例如在裝配一輛汽車時(shí)，需要將電纜布線與汽車中的控制模塊相連，這樣當(dāng)它們穿過(guò)工廠時(shí)，這些模塊上可能累積過(guò)量的電荷，在將這些電纜與裝有CAN收發(fā)器的控制模塊相連時(shí)，過(guò)量的電荷會(huì)從電纜流入模塊，然后進(jìn)入CAN收發(fā)器。根據(jù)工廠的環(huán)境條件和處理電纜布線的方式，這些放電可能高達(dá)30kV，并永久地?fù)p壞CAN收發(fā)器，導(dǎo)致車輛無(wú)法操作，只要在系統(tǒng)中處理電纜布線，就有發(fā)生ESD的風(fēng)險(xiǎn)。

1.CAN/CAN FD基礎(chǔ)

CAN

控制器局域網(wǎng) (CAN)
是許多汽車應(yīng)用中廣泛使用的通信協(xié)議，它是一個(gè)雙線差分通信接口，通常使用雙線、雙絞線電纜來(lái)傳輸和接收串行數(shù)據(jù)，其物理層根據(jù)ISO
11898-2標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層包含CAN收發(fā)器和雙絞線，CAN收發(fā)器在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議控制器和物理總線線路之間提供物理鏈路，雙絞線將所有的CAN節(jié)點(diǎn)連接在一起。連接CAN收發(fā)器和電纜的兩條線路被稱為CANH和CANL，CANL是低CAN總線線路，在普通運(yùn)行模式下，顯性態(tài)的值約為1.4V，隱性態(tài)的值為5V。在低功率模式下，CANL的電壓等于電池電壓。CANH是高CAN總線線路，在典型運(yùn)行模式下，顯性態(tài)的值約為3.6V，隱性態(tài)的值以及低功率模式下的值為0V。另外，還建議用一個(gè)終端電阻來(lái)端接CANH和CANL線路，以避免信號(hào)反射和高頻噪聲。

高速CAN(ISO 11898的第2、5和6部分)指定傳輸速率最高為1Mbit/s，低速容錯(cuò)CAN(ISO
11898的第3部分)指定速率最高為500Kbit/s。容錯(cuò)通常意味著，在錯(cuò)誤情況下，收發(fā)器可從差分接收和發(fā)送能力切換為單線發(fā)射器和/或接收器，這意味著最大單端(容錯(cuò))總線電壓為+12V，差分總線電壓為?12V。

CAN FD

由于需要傳輸和接收更多數(shù)據(jù)，汽車網(wǎng)絡(luò)中使用的ECU也越來(lái)越多，因此限制為1 Mbit/s的傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)不足以適應(yīng)未來(lái)需求。CAN
FD是CAN物理層的更新，主要區(qū)別在于靈活的數(shù)據(jù)速率，最高可達(dá)10Mbit/s，2Mbit/s是典型的數(shù)據(jù)傳輸速率限制，適用于不需要更高數(shù)據(jù)速率的許多應(yīng)用。

圖4-1：CAN系統(tǒng)架構(gòu)，帶有單個(gè)設(shè)備來(lái)保護(hù)CAN節(jié)點(diǎn)

如同任何其他外露連接器接口，CAN/CAN
FD接口會(huì)發(fā)生如靜電放電等高壓瞬變事件，在CAN總線連接器上安裝ESD保護(hù)二極管，外部鉗位電路可應(yīng)用于CANH和CANL線路，保護(hù)兩條CAN總線線路免受ESD及其他瞬變現(xiàn)象造成的損壞，以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的ESD耐受性。不僅能夠保護(hù)CAN收發(fā)器正常通信，還能夠保護(hù)所有下游和相鄰系統(tǒng)免受ESD耦合能量的影響。

Tips：

CAN協(xié)議可支持不同的速度，具體包括：

1：低速 (LS CAN)：高達(dá)125kbps

2：高速 (HS CAN)：高達(dá)1Mbps

3：靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD)：高達(dá)10Mbps

4：具有信號(hào)改善功能的 CAN (CAN SIC)：高達(dá)8Mbps

5：CAN XL：高達(dá)10-20Mbps(尚未發(fā)布)

2.ESD保護(hù)要求

許多CAN收發(fā)器具有內(nèi)置的ESD保護(hù)單元，但是為了減小芯片尺寸，它們大多數(shù)只能保護(hù)到8kV。根據(jù)不同環(huán)境，某些ESD沖擊可能高達(dá)30kV，因此需要使用外部ESD保護(hù)二極管來(lái)提高系統(tǒng)級(jí)的ESD性能，以下是在選擇正確的ESD保護(hù)二極管時(shí)需要考慮的主要事項(xiàng)和參數(shù)：

1：工作電壓 (Vrwm) 和極性

二極管的Vrwm
取決于使用它們的場(chǎng)景，在理想條件下，CAN總線電壓電平在CANH的Vcc(5V或3.3V)和CANL的0V之間擺動(dòng)，但是在車輛中有一種取決于電池電壓的共模電壓。小型車輛使用12V電池，大型車輛使用24V電池。除了共模電壓外，如果汽車電池幾乎沒(méi)有電量，還會(huì)出現(xiàn)不正常的借電啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。要正確地借電啟動(dòng)車輛，需將另一輛車的電池與無(wú)電電池并連。不了解這點(diǎn)的人可能會(huì)將兩個(gè)電池串連，將汽車的整體電壓加倍。在12V電池的情況下，需要使用24V
ESD二極管，以確保在這種串聯(lián)借電啟動(dòng)的情況下，它不會(huì)燒掉。在使用由兩塊12V單元組成的24V電池時(shí)，需要使用一個(gè)36V二極管，因?yàn)檫@兩個(gè)電池單元將分別充電，考慮到線路故障和誤接線，所有二極管都需要是雙向二極管。

此外，由于CAN網(wǎng)絡(luò)可能短路接至電壓源，例如汽車電池，因此CANL和CANH線路上的ESD保護(hù)器件必須能夠耐受更高電壓電平。在快速啟動(dòng)條件下，或者如果有兩個(gè)12V電池串聯(lián)，這意味著至少需要2×12V=24V的截止電壓VRWM。

2：IEC 61000-4-2等級(jí)

IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)定義了模擬實(shí)際ESD沖擊的波形，與模擬受控環(huán)境中ESD事件的人體放電模型(HBM) 和充電器件模型 (CDM)
等波形不同，某些環(huán)境因素(比如濕度和溫度)會(huì)使ESD沖擊更加劇烈，建議至少使用最小接觸等級(jí)為15kV的ESD二極管。

3：ISO 10605等級(jí)

ISO 10605標(biāo)準(zhǔn)定義了一種模擬汽車環(huán)境中實(shí)際ESD沖擊的波形，此波形定義了許多不同的電容和電阻組合，與只需要150pF/330?的IEC
61000-4-2不同，這些組合的最大強(qiáng)度為330pF/330?，這比IEC61000-4-2波形更加劇烈。要在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中經(jīng)受住ESD沖擊，建議ESD二極管的最小接觸等級(jí)為15kV。

4：電容

ESD二極管應(yīng)具有低電容，以盡可能減少信號(hào)衰減，二極管最大允許結(jié)電容可能因信號(hào)速度(LS CAN與CAN
FD)、收發(fā)器電容、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和CANH、CANL線路上的其他器件(如濾波電容器)而異，通常建議將二極管電容保持在15pF以下，以盡可能提高系統(tǒng)的總電容預(yù)算。

5：鉗位電壓VCL

鉗位電壓要求可能因使用的CAN收發(fā)器而異，鉗位電壓VCL應(yīng)當(dāng)?shù)陀贑ANH和CANL引腳的絕對(duì)最大等級(jí)耐壓值。

6：封裝

對(duì)于CAN應(yīng)用，許多系統(tǒng)需要對(duì)其電路板進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢查，以確認(rèn)所有器件都已正確焊接，考慮到這一點(diǎn)，建議對(duì)ESD二極管使用引線式封裝，如SOT-23和SC70。

3.ESD保護(hù)實(shí)例

將ESD2CAN24-Q1與TCAN1042V-Q1
CAN收發(fā)器配對(duì)使用，演示了其如何在12V汽車環(huán)境中提供系統(tǒng)級(jí)ESD抗擾能力。本實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)電路板：一個(gè)電路板只有
TCAN1042V-Q1，另一個(gè)電路板同時(shí)裝有ESD2CAN24-Q1和TCAN1042V-Q1。

為測(cè)量信號(hào)完整性，兩個(gè)電路板都采用5V電源，并在TXD引腳上施加500kHz (1Mbps) 的數(shù)字信號(hào)，來(lái)模擬HS
CAN環(huán)境。將一個(gè)示波器連接到CANH(線路 1)、CANL(線路 2)、TXD(線路 3)和RXD(線路4)，以觀察結(jié)果。如圖4-2和圖
4-3中的結(jié)果所示，ESD2CAN24-Q1二極管根本不會(huì)劣化CANH和CANL信號(hào)。

圖4-2：無(wú)二極管

圖4-3：有ESD二極管

為測(cè)量系統(tǒng)級(jí)ESD抗擾能力，兩個(gè)電路板的CANH和CANL引腳都受到了±30kV ISO
10605接觸脈沖的沖擊。因?yàn)門CAN1042V-Q1額定只能承受8kV ISO
10605脈沖，所以沒(méi)有二極管的系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，采用ESD2CAN24-Q1的系統(tǒng)則經(jīng)受住了沖擊，因?yàn)镋SD2CAN24-Q1將脈沖限制在收發(fā)器可以承受的足夠低的電壓水平內(nèi)。

4.總結(jié)

為了確保穩(wěn)健的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，滿足汽車在各類環(huán)境中正常運(yùn)行，CAN總線這種接口需要有非常強(qiáng)大的ESD保護(hù)解決方案，要確保系統(tǒng)不僅不會(huì)出現(xiàn)高壓瞬變，而且要盡可能減少電容，以實(shí)現(xiàn)不受約束的信號(hào)傳輸，CAN和CAN
FD推薦表4-1和表4-2參數(shù)。

表4-1：LIN總線ESD/TVS diode選型參數(shù)參考

表4-2：LIN總線ESD/TVS diode選型參數(shù)參考