汽車自問世以來取得了長足發(fā)展?，F(xiàn)在的汽車擁有眾多功能，包括自動和半自動駕駛、防抱死制動系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向、前后碰撞警告、車道輔助、自動泊車輔助和自動緊急制動等。

GPS 導(dǎo)航、車內(nèi)氛圍照明、環(huán)視攝像頭、高級信息娛樂系統(tǒng)、有源天線等高級功能更是大多數(shù)現(xiàn)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

每個車輛功能通常由單獨的電子控制單元 (ECU) 監(jiān)測和控制。每輛現(xiàn)代汽車中大約有 50 到 100 個 ECU，每個 ECU 負(fù)責(zé)一項或多項功能。

ECU 與多個傳感器一起工作，例如發(fā)動機溫度傳感器、氣壓傳感器、車門傳感器等。它接收來自傳感器的信息，并相應(yīng)地調(diào)整控制的車輛參數(shù)。有時候，一個 ECU 可能需要與其他 ECU 通信以執(zhí)行指定的功能。

例如，如果您忘記把點火開關(guān)里的車鑰匙拔出來，那相應(yīng)的發(fā)動機控制 ECU就會 與車門 ECU 通信，使車門保持打開狀態(tài)且揚聲器ECU發(fā)出警報。

通過CAN總線的ECU通信

同一車輛內(nèi)部的不同ECU之間進行數(shù)據(jù)傳輸會用到多種車載網(wǎng)絡(luò) (IVN) 協(xié)議。現(xiàn)代汽車最常用的通信機制是控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線。它是一種雙向串行通信總線，使 ECU 無需使用任何復(fù)雜的布線即可通信。它使用特性阻抗為 120Ω 的雙絞線傳輸數(shù)據(jù)。其中一根線被稱為 CAN_Low (CAN_L)，另一根線被稱為 CAN_High (CAN_H)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 1Mbit/s。

ECU 通過 CAN 控制器（類似于處理所有活動必要數(shù)據(jù)的微控制器）連接到 CAN 總線。還會有一個 CAN 收發(fā)器用于連接 CAN 控制器和 CAN 總線。它將晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 信號轉(zhuǎn)換為實際的差分電壓信號，供 CAN 總線讀取及解釋。CAN 總線架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 汽車 CAN 總線架構(gòu)

CAN 總線的瞬態(tài)保護

為具有 50 到 100 個 ECU 的嚴(yán)苛汽車環(huán)境設(shè)計 CAN 接口系統(tǒng)時，必須確保充分保護，以免受電氣過載事件 (EOS) 的影響。造成 EOS 的主要原因之一是靜電放電 (ESD)。此外，隨著電子元件的小型化，保護元件免受 ESD 威脅并滿足現(xiàn)代汽車的安全性和可靠性要求，就變得更加重要。

可通過在 CAN 總線數(shù)據(jù)線上放置一個瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管來實現(xiàn)瞬態(tài)保護，以防止上升沿在納秒級以下的瞬態(tài)事件。在正常工作條件下，TVS 二極管在電路中呈現(xiàn)出高阻態(tài)，所以器件表現(xiàn)為開路。它不會干擾電路其余部分的正常工作。

在瞬態(tài)事件期間，受保護 CAN 收發(fā)器端子上的電壓可能會超過安全運行極限。此時TVS 二極管通過提供低阻抗路徑，轉(zhuǎn)移收發(fā)器電路的瞬態(tài)電流來達(dá)到保護的目的。ESD 事件結(jié)束后，TVS 二極管將恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。

如前所述，CAN 總線由 CAN_H 和 CAN_L 的兩條線組成。傳輸數(shù)據(jù)時，CAN_H 的電平電壓會達(dá)到 3.75V，而 CAN_L 降至 1.25V。當(dāng) CAN 總線不傳輸數(shù)據(jù)時，CAN_H 和 CAN_L 的電平電壓都保持為 2.5V。

需要記住的是，汽車一般使用 12V 電池。雖然快速啟動通常使用的是 12V 電池，但某些服務(wù)車輛會使用 24V 電池。

因此，選擇 TVS 二極管的第一個標(biāo)準(zhǔn)是反向工作最大電壓或 VRWM，如果緊急情況下汽車的 12V 電池需要從 24V 快速啟動，那么這些電壓足以保護 CAN 收發(fā)器。

選擇 TVS 二極管時要考慮的另一個參數(shù)是最小擊穿電壓或 VBR。它是在瞬態(tài)情況下，TVS 二極管開始傳導(dǎo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提到的泄漏電流時的電壓。

Semtech 的 μClamp2424PWQ（如圖 2 所示）是一款四通道器件，可保護 CAN 總線架構(gòu)中的兩組 CAN_H 和 CAN_L。μClamp2424PWQ 的工作電壓為 24V，最小擊穿電壓為 26.5V。即使車輛需要快速啟動，這些電壓也足以保護 CAN 收發(fā)器。

圖2 CAN 總線系統(tǒng)可以使用的 ESD 保護選擇

我們再來看另一個重要參數(shù)——鉗位電壓或 VCLAMP。VCLAMP 是在最大峰值脈沖電流額定值下出現(xiàn)在器件兩端的 TVS 二極管電壓。

VCLAMP 決定器件在瞬態(tài)事件期間承受的電壓。較低的鉗位電壓適合保護 CAN 總線系統(tǒng)或任何其他系統(tǒng)。μClamp2424PWQ 在最大峰值電流為 5A 時的典型鉗位電壓為 44V。每條器件線的額定最大 EOS 電流為 5A (tp = 8/20μs)。

CAN_H 和 CAN_L 線承載最大數(shù)據(jù)速率為 1Mbps 的差分信號。由于它們是高速差分?jǐn)?shù)據(jù)線，因此 TVS 二極管應(yīng)在瞬態(tài)事件期間保護電路，同時保持低的線間電容，確保信號完整性。

μClamp2424PWQ 在線地之間提供 15pF（典型值）和 18pF（最大值）的極低電容。因此它是保護 CAN 收發(fā)器而不破壞信號完整性的合適選擇。

符合第 4 級 IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)和 AEC-Q 認(rèn)證也是汽車系統(tǒng)設(shè)計必須達(dá)到的要求。根據(jù) IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，μClamp2424PWQ 可在 ±30kV（空氣）和 ±30kV（接觸）下提供 ESD 事件的瞬態(tài)保護。器件支持 DFN (2.5x1.0x0.55mm) 封裝，帶有先進的可濕性側(cè)面，用于自動視覺檢測 (AVI) 后組裝。圖 3 所示為 μClamp2424PWQ 的特性。

圖3 μClamp2424PWQ 的特性

結(jié)論

Semtech 是 TVS 二極管的領(lǐng)先制造商，為世界上許多高速汽車通信總線提供保護。在惡劣的汽車環(huán)境中，精心設(shè)計和合適的 TVS 二極管對于保護通信總線和接口至關(guān)重要。

Semtech 性能良好且可靠的 TVS 產(chǎn)品組合可保護高速汽車 CAN 總線以及其他通信總線。