保护汽车 CAN 总线系统免受 ESD 过压事件的影响

CAN 是一个双线差分通信接口，其物理层根据 ISO 11898-2 标准定义。该物理层包含 CAN 收发器和双绞线，后 者将所有的 CAN 节点连接在一起。连接 CAN 收发器和电缆的两条线路被称为 CANH 和 CANL。另外，还建议用 一个分裂终端来端接 CANH 和 CANL 线路，以避免信号反射和高频噪声。图 1-1 展示了典型的 CAN 总线设置。

图 1-1. CAN 总线典型设置 

CAN 协议可支持不同的速度。具体包括： 

• 低速 (LS CAN)：高达 125kbps 

• 高速 (HS CAN)：高达 1Mbps 

• 灵活数据速率 (CAN FD)：高达 5Mbps 

• 具有信号改善功能的 CAN (CAN SIC)：高达 8Mbps 

• CAN XL：高达 10-20 Mbps（尚未发布） 

2 ESD 的原因 

ESD 可能发生在任何有外露连接器的系统上，包括 CAN 总线接口。通常，这些连接器在汽车装配和维护时外 露。例如，在装配一辆汽车时，需要将电缆布线与汽车中的控制模块相连，这样当它们穿过工厂时，这些模块上 可能累积过量的电荷。在将这些电缆与装有 CAN 收发器的控制模块相连时，过量的电荷会从电缆流入模块，然后 进入 CAN 收发器。根据工厂的环境条件和处理电缆布线的方式，这些放电可能高达 30kV，并永久地损坏 CAN 收发器，导致车辆无法操作。机修工对汽车执行维护时也可能发生这种情况，必须先断开连接，然后再重新连接 此电缆布线。简而言之，只要在系统中处理电缆布线，就有发生 ESD 的风险。

图 2-1. CAN 总线 ESD 事件

3 ESD 保护要求 

许多 CAN 收发器具有内置的 ESD 保护单元，但是为了减小芯片尺寸，它们大多数只能保护到 8kV。如前文所 述，根据不同环境，某些 ESD 冲击可能高达 30kV。因此，需要使用外部 ESD 保护二极管来提高系统级的 ESD 性能。以下是在选择正确的 ESD 保护二极管时需要考虑的主要事项和参数： 

• 工作电压 (Vrwm) 和极性 

– 二极管的 Vrwm 取决于使用它们的应用。在理想条件下，CAN 总线电压电平在 CANH 的 Vcc（5V 或 3.3V）和 CANL 的 0V 之间摆动。但是，在车辆中有一种取决于电池电压的共模电压。小型车辆将使用 12V 电池，大型车辆，比如 18 轮车，将使用 24V 电池。除了共模电压外，如果汽车电池几乎没有电量， 还会出现不正常的借电启动风险。要正确地借电启动车辆，需将另一辆车的电池与无电电池并连。不了解这 点的人可能会将两个电池串连，将汽车的整体电压加倍。在 12V 电池的情况下，需要使用 24V ESD 二极 管，以确保在这种串联借电启动的情况下，它不会烧掉。在使用由两块 12V 单元组成的 24V 电池时，需要 使用一个 36V 二极管，因为这两个电池单元将分别充电。考虑到线路故障和误接线，所有二极管都需要是 双向二极管。 

• IEC 61000-4-2 等级 

– IEC 61000-4-2 标准定义了模拟现实 ESD 冲击的波形，与模拟受控环境中 ESD 事件的人体放电模型 (HBM) 和充电器件模型 (CDM) 等波形相反。因为某些环境因素（比如湿度和温度）会使 ESD 冲击更加剧 烈，建议至少使用最小接触等级为 15kV 的 ESD 二极管。 

• ISO 10605 等级 

– ISO 10605 标准定义了一种模拟汽车环境中现实 ESD 冲击的波形。此波形定义了许多不同的电容和电阻组 合，与只需要 150pF/330Ω 的 IEC 61000-4-2 相反。这些组合的最大强度为 330pF/330Ω，这比 IEC 61000-4-2 波形更加强劲。要在严酷的汽车环境中经受住 ESD 冲击，建议 ESD 二极管的最小接触等级为 15kV。 

• 电容 

– ESD 二极管应具有低电容，以尽可能减少信号衰减。二极管最大许用电容可能因信号速度（LS CAN 与 CAN FD）、收发器电容、网络规模和 CANH 与 CANL 线路上的其他器件（如滤波电容器）而异。通常， 建议将二极管电容保持在 15pF 以下。但是，系统架构师们一直在寻找电容尽可能低的二极管，以尽可能提 高系统的总电容预算。

• 钳位电压 

– 钳位电压要求可能因使用的 CAN 收发器而异。务必注意，钳位电压应当低于 CANH 和 CANL 引脚的绝对 最大等级。 

• 封装 

– 对于 CAN 应用，许多系统需要对其电路板进行自动光学检查，以确认所有器件都已正确焊接。考虑到这一 点，建议对 ESD 二极管使用引线式封装，如 SOT-23 和 SC70。

4 系统级解决方案 

TI 提供名为 ESD2CANxx 器件的 ESD 二极管阵列，可在许多不同的环境中为不同类型 CAN 收发器提供保护。它 们采用引线式双通道封装，具有专为 CAN 总线 ESD 保护设计的匹配电容。

图 4-1. 受保护的 CAN 收发器 

此外，将 ESD2CAN24-Q1 与 TCAN1042V-Q1 CAN 收发器配对使用，演示了它在 12V 汽车环境中提供系统级 ESD 抗扰能力的方法。本实验中使用了两个电路板：一个电路板只有 TCAN1042V-Q1，另一个电路板同时装有 ESD2CAN24-Q1 和 TCAN1042V-Q1。 

为测量信号完整性，两个电路板都采用 5V 电源，并在 TXD 引脚上强制施加 500kHz (1Mbps) 的数字信号，来模 拟 HS CAN 环境。将一个示波器连接到 CANH（线路 1）、CANL（线路 2）、TXD（线路 3）和 RXD（线路 4），以观察结果。如图 4-2 和图 4-3 中的结果所示，ESD2CAN24-Q1 二极管根本不会降级 CANH 和 CANL 信 号。

图 4-2. 无二极管

图 4-3. 具有 ESD2CAN24-Q1 

为测量系统级 ESD 抗扰能力，两个电路板的 CANH 和 CANL 引脚都受到了 +/-30kV ISO 10605 接触脉冲的冲 击。因为 TCAN1042V-Q1 额定只能承受 8kV ISO 10605 脉冲，所以没有二极管的系统出现了故障。采用 ESD2CAN24-Q1 的系统则经受住了冲击，因为 ESD2CAN24-Q1 将脉冲限制在收发器可以承受的足够低的电压水 平内。 

5 总结 

要在汽车环境中正常运行，CAN 总线这种接口需要有非常强大的 ESD 保护解决方案。要确保系统不仅不会出现 高压瞬变，而且要尽可能减少电容，以实现不受约束的信号传输，选择合适的保护二极管是不可或缺的一部分。 TI 的 ESD2CANxx 器件具有高 ESD 等级和低电容，可以为 CAN 总线接口提供出色的 ESD 保护。有关器件建 议，请参阅表 5-1。

表 5-1. 器件建议