控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）是一種在眾多汽車應用中廣泛使用的通信協(xié)議。與其他帶有外露連接器的接口一樣，CAN 接口容易受到高壓瞬變事件的影響，例如靜電放電（ESD，Electrostatic Discharge）。

在 CAN 總線連接器上安裝靜電放電（ESD）保護二極管，不僅能保護 CAN 收發(fā)器，還能保護所有下游系統(tǒng)和相鄰系統(tǒng)免受耦合靜電放電能量的損害。為實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)級保護，了解 CAN 總線的基本工作條件以及如何為 CAN 總線選擇合適的靜電放電（ESD）保護二極管至關(guān)重要。

CAN 是一種雙線差分通信接口，其物理層由 ISO 11898-2 標準定義。物理層包含 CAN 收發(fā)器以及將所有CAN 節(jié)點連接在一起的雙絞線電纜。CAN 收發(fā)器與電纜之間連接的兩條線路分別稱為 CANH（CAN 高電平線）和CANL（CAN 低電平線）。此外，為避免信號反射和高頻噪聲，建議對 CANH 線和 CANL 線采用分離端接技術(shù)。圖 1展示了典型的CAN 總線配置。

圖1：CAN總線典型電路

CAN協(xié)議存在多種不同類型及速率等級，這些類型包括：

• 低速 CAN（LS CAN）：速率最高可達 125 kbps

• 高速 CAN（HS CAN）：速率最高可達 1 Mbps

• 靈活數(shù)據(jù)速率 CAN（CAN FD，F(xiàn)D 為“Flexible Data Rate” 縮寫）：速率最高可達 5 Mbps

• 信號增強型 CAN（CAN SIC，SIC 為“Signal Improved Capable” 縮寫）：速率最高可達 8 Mbps

• CAN XL：速率最高可達 10-20 Mbps（尚未發(fā)布）

任何帶有外露連接器的系統(tǒng)都可能發(fā)生靜電放電（ESD），CAN 總線接口也不例外。通常，這些連接器在車輛組裝和維修過程中會處于外露狀態(tài)。例如，汽車在組裝時，用于連接車內(nèi)控制模塊的電纜在工廠內(nèi)移動過程中，表面可能會積累過量電荷。

當需要將這些電纜連接到裝有 CAN 收發(fā)器的控制模塊時，過量電荷會從電纜流向模塊，并進入 CAN 收發(fā)器。根據(jù)工廠的環(huán)境條件以及電纜的處理方式，這些放電的電壓最高可達 30 kV，可能會對CAN 收發(fā)器造成永久性損壞，導致車輛無法正常運行。這種情況也可能發(fā)生在維修人員對汽車進行維修、需要斷開并重新連接這些電纜時。簡而言之，只要系統(tǒng)中的電纜被操作（如移動、插拔、觸碰等），就存在發(fā)生靜電放電（ESD）的可能性。

圖2：CAN總線放電示意

許多 CAN 收發(fā)器內(nèi)置了靜電放電（ESD）防護單元，但為了減小芯片尺寸，大多數(shù)收發(fā)器的防護能力僅能達到 8 kV。正如前文所述，根據(jù)環(huán)境不同，某些靜電放電的電壓最高可達 30 kV。因此，需要額外搭配一個外部靜電放電（ESD）防護二極管，以提升系統(tǒng)級的 ESD 防護性能。以下是選擇合適 ESD 防護二極管時需重點考慮的因素及關(guān)鍵參數(shù)：

工作電壓（Vrwm）和極性

二極管的 Vrwm（反向工作峰值電壓）取決于其應用場景。理想情況下，CAN 總線的電壓電平在 CANH 線上為 Vcc（5V或 3.3V），在 CANL 線上為 0V 之間波動。然而，在車輛中，存在取決于電池電壓的共模電壓。小型車輛使用 12V 電池，而像18 輪大卡車這樣的大型車輛則使用 24V 電池。除了這種共模電壓外，如果車輛電池幾乎沒電，還存在不當跨接啟動的風險。正確的車輛跨接啟動方法是將另一輛車的電池與虧電車的電池并聯(lián)。不懂這一點的人可能會將兩個電池串聯(lián)，使汽車的總電壓加倍。對于 12V 電池，需要 24V 的ESD 二極管，以確保在這種串聯(lián)跨接啟動情況下不會燒毀。對于由兩個 12V 電池組成的 24V 電池，由于電池是單獨充電的，因此需要 36V 的二極管。所有二極管都需要是雙向的，以應對線路故障和接線錯誤。

IEC 61000-4-2 等級

IEC 61000-4-2 標準定義了一種模擬現(xiàn)實世界靜電放電的波形，這與人體模型（HBM）和帶電設(shè)備模型（CDM）等模擬受控環(huán)境中靜電放電事件的波形不同。由于濕度和溫度等某些環(huán)境因素會使靜電放電更為劇烈，因此建議 ESD 二極管的最小接觸放電等級為 15kV。

ISO 10605 等級

ISO 10605 標準定義了一種模擬汽車環(huán)境中現(xiàn)實世界靜電放電的波形。該波形定義了許多不同的電容和電阻組合，而 IEC 61000-4-2 僅要求 150pF/330Ω。其中最嚴苛的組合是 330pF/330Ω，這比 IEC 61000-4-2 波形更為嚴苛。為了在惡劣的汽車環(huán)境中承受靜電放電，建議 ESD 二極管的最小接觸放電等級為 15kV。

電容

ESD二極管應具有低電容，以最大限度地減少信號衰減。最大允許的二極管電容可能因信號速度（低速 CAN 與 CAN FD）、收發(fā)器電容、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及 CANH 和 CANL 線上的其他元件（如濾波電容）而異。通常，建議將二極管電容保持在 15pF 以下。然而，系統(tǒng)設(shè)計師會尋找電容盡可能低的二極管，以最大化系統(tǒng)的總電容預算。

鉗位電壓

鉗位電壓要求可能因所使用的 CAN 收發(fā)器而異。需要注意的重要一點是，鉗位電壓應小于 CANH 和 CANL 引腳的絕對最大額定值。

封裝

對于 CAN 應用，許多系統(tǒng)要求對其電路板進行自動光學檢測，以確認所有元件都已正確焊接。為此，建議 ESD 二極管采用 SOT-23 和 SC70 等有引線封裝。

德州儀器（TI）提供了一系列名為ESD2CANxx器件的靜電放電（ESD）二極管，用于在多種不同環(huán)境中保護各類CAN收發(fā)器。這些二極管采用引腳式、雙通道封裝，并配備了專門為CAN總線靜電放電保護設(shè)計的匹配電容。

圖3：帶保護功能的CAN 收發(fā)器

在此，ESD2CAN24-Q1（一款 ESD 防護器件）與TCAN1042V-Q1（一款 CAN 收發(fā)器）搭配使用，以驗證其在 12V 汽車環(huán)境中如何提供系統(tǒng)級靜電放電（ESD）抗擾度。

為測量信號完整性，兩塊電路板均接入 5V 電源，并在 TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)）引腳上輸入500kHz（對應 1Mbps 傳輸速率）的數(shù)字信號，以模擬高速 CAN（HS CAN）工作環(huán)境。實驗中使用示波器連接至 CANH（CAN 高電平線，通道1）、CANL（CAN 低電平線，通道2）、TXD（通道 3）及RXD（接收數(shù)據(jù)，通道 4）引腳，以觀察測試結(jié)果。如圖4與圖5所示，ESD2CAN24-Q1二極管對 CANH 和 CANL 信號完全無衰減影響。

圖4：沒有ESD二極管的波形圖

圖5：有ESD二極管的波形圖

為測試系統(tǒng)級靜電放電（ESD）抗擾度，對兩塊電路板的CANH和 CANL引腳施加了 ±30 kV的 ISO 10605 接觸放電脈沖。

由于 TCAN1042V-Q1（CAN 收發(fā)器）的額定耐受能力僅為 8 kV的 ISO 10605 放電脈沖，因此未搭載 ESD 防護二極管的系統(tǒng)測試失敗。而搭載了 ESD2CAN24-Q1（ESD防護器件）的系統(tǒng)則成功通過測試，原因是 ESD2CAN24-Q1 將放電脈沖的電壓鉗位到了收發(fā)器可承受的足夠低水平。

CAN 總線作為一種接口，需要具備極高可靠性的靜電放電（ESD）防護方案，才能在汽車環(huán)境中穩(wěn)定工作。選擇合適的防護二極管是保障系統(tǒng)安全的重要環(huán)節(jié)——這不僅能保護系統(tǒng)免受高壓瞬變的影響，還能通過最小化電容，實現(xiàn)無阻礙的信號傳輸。

在眾多工業(yè)和汽車應用中，保護接口收發(fā)器免受各類電氣過應力事件的影響是一大關(guān)鍵考量。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管是用于此目的的常見器件，因其能通過生成低阻抗電流通路來鉗制電壓尖峰。TVS二極管的電氣特性由若干工藝因素決定。與TVS二極管電壓、電流和功率額定值相關(guān)的參數(shù)取值范圍廣泛，可滿足各類應用需求。然而，查看元件數(shù)據(jù)手冊時，選型過程并非總是一目了然。

在本文中，我將探討電壓參數(shù)，并說明適用于控制器局域網(wǎng)（CAN）應用的TVS二極管類型。當然，峰值脈沖功耗和峰值脈沖電流也是關(guān)鍵參數(shù)，它們決定了系統(tǒng)的放電能力及靜電放電（ESD）防護等級。不過，本文將重點聚焦于電壓參數(shù)。

1. TVS二極管電壓參數(shù)：VRWM、VBR與 VCL

當出現(xiàn)不必要的高壓瞬變時，TVS 二極管（瞬態(tài)電壓抑制二極管）應起到鉗位作用；而在收發(fā)器正常工作時，TVS 二極管則需保持“透明”（即不影響正常電路工作）。因此，在數(shù)據(jù)手冊中首先要關(guān)注的參數(shù)是額定反向截止電壓（VRWM）。VRWM也被稱為額定工作電壓，當電路電壓低于該值時，TVS 二極管呈現(xiàn)開路狀態(tài)，且僅存在較低的待機漏電流。

圖6：TVS二極管的伏安特性

在選型時，需確保 VRWM值大于收發(fā)器的推薦工作電壓范圍。當輸入電壓進一步升高，達到擊穿電壓（VBR）時，TVS 二極管開始擊穿，并導通更大電流。但更為重要的是最高電壓參數(shù)——VCL，即大電流脈沖條件下的鉗位電壓。VCL代表在特定沖擊電流下，TVS 二極管能提供的最大鉗位電壓。

將VCL與收發(fā)器參數(shù)對比時，必須確保VCL不超過集成電路（IC）的絕對最大額定電壓。“絕對最大額定電壓” 是收發(fā)器在任何情況下都允許承受的最高電壓限值，一旦電壓超過該值，收發(fā)器將進入不安全的工作區(qū)域，甚至可能造成永久性損壞。

2. CAN 收發(fā)器的TVS 二極管選型

德州儀器（TI）的8 引腳 CAN 收發(fā)器 SN65HVD1040A 具有相當高的絕對最大額定電壓（圖7），這使得 TVS 二極管的選型更為容易。CAN總線也能夠承受一定程度的共模電壓變化（圖8）。

圖7：驅(qū)動器絕對最大額定值

圖8：驅(qū)動器工作電壓

綜合所有因素，伯恩斯（Bourns）公司的 CDSOT23-T24CAN 器件可作為適配 SN65HVD1040A 的選擇之一。該器件的額定反向截止電壓（備用工作電壓）為 24V，鉗位電壓范圍為 36V 至40V。

此外，需再次說明：盡管電壓參數(shù)是 TVS 器件選型時首要關(guān)注的指標，但它們僅屬于 TVS 器件電氣特性的一部分。若想全面了解一款 TVS 器件的性能，還可進一步查看其峰值功率、峰值電流等其他關(guān)鍵參數(shù)。

來源：

https://mp.weixin.qq.com/s/dVVI1Rsmfyes5OmAbBl2_Q

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