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CAN总线浪涌保护的简单方法

时间:2005-06-06 阅读10533次

 

 

Brandon Wolfe、Jim Lepkowski
安森美半导体公司

CAN系统必须达到电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)标准的严格要求,同时提高产品的可靠性并降低产品成本、缩小尺寸,对设计人员而言,这是一个挑战。可以把降低噪音的技术以及总线保护器件加入到系统中去, 而且不会增加CAN收发器电路的复杂程度,也不会增大成本。对CAN收发器的一个要求是,它们必须承受得住瞬变电压所产生的很大能量的浪涌。收发器也许能够达到ISO 7637规范──它规定了瞬变电压的模型──的最低要求,但是现在有一些其他的保护器件,可以承受能量更大的浪涌。利用这些保护器件,CAN通讯系统会更加可靠。
与CAN总线的连接是通过一个收发器集成电路来进行的。收发器集成电路使用ISO 11898-2标准所规定的高速物理层协议。这个高速物理层协议采用的差动接收器有抵消噪音的作用,它承受EMI的能力很强。在ISO 11898-2标准中,总线由CAN_H(高电位)和CAN_L(低电位)两条数据线组成,它上面的信号使用公共地[1]。
在选择保护器件时,要考虑到CAN的几项指标。其中包括:最高电源电压、共模电压、最大传输速度、耦合进来的电气干扰以及ESD额定值。
在供电电压为最大的情况下,保护电路的击穿电压应该高于供电电压,但低于CAN收发器的最大输入电压。在一般的情况下,对于一个12V的CAN系统,应该选择击穿电压大约为30V的瞬变电压抑制(TVS)器件。这样,就可以把瞬变电压箝制在安全的电平,在TVS器件没有工作的时候又不会衰减原来的信号。击穿电压选为30V是考虑到12V电池会用24V电源充电。
在接收节点和发射节点的地之间的电位差别相当大时,存在共模电压。这时在数据线上会产生高于正常电平或者低于正常电平2.0V的偏移电压。
可以接在数据线上的最大电容决定了最高传输速度。如果CAN_L 和CAN_H两条线上的电容是一样的,那么信号线上允许有一些畸变。 但是每只TVS器件的电容或者每只电容器的电容很难做到都是一样的,所以,数据线的电容应当尽可能小。
数据线和电源线往往是在同一束线当中,所以它们之间存在寄生电容和寄生电感。耦合到数据线上的电气干扰是电源线上感应出来的瞬变噪音引起的,它耦合到数据线上的信号中。CAN组件一要能够承受得住这两种噪音。ISO 7637-3规定了用来测试耦合进来的电气干扰的瞬变电压。
ESD的额定值很重要,因为它说明一只器件能够承受的ESD。当一个物体,例如一个人对器件造成静电冲击时,就会出现ESD。CAN网络应该容许±8.0kV的接触放电,±15kV的非接触空气放电。TVS器件可以提高容许的ESD额定值,因而提高了保护能力。
在解决瞬变噪音方面,一个广泛使用的器件是TVS雪崩箝位二极管。在出现浪涌时,可以用它们来吸收瞬变能量,起到保护的作用。TVS二极管的开通时间低于1.0ns,可以把瞬变电压箝在低于收发器的额定电压。如果共模电压引起信号产生偏移时,TVS双向二极管可以防止数据线上的信号产生畸变,而且不会将信号箝位。TVS双向二极管的箝位电压等于反向二极管的击穿电压加上正向偏置二极管上的电压降落。
ISO 7637-1 [2]、ISO 7637-2和ISO 7637-3规范是用于测量网络承受瞬变噪音的能力。用一个非重复的浪涌电压来测试组件承受电源开关、负载突然变化或配电系统的短路故障所产生的瞬变电压的能力。ISO 7637-1规范的脉冲’1’是极性为负的瞬变电压,是电感性负载(也就是直流电动机)并联到被测设备(DUT)上时,在接通电源或切断电源时产生的脉冲。ISO 7637-1规范的脉冲’2’是极性为正的脉冲,除了电感性负载是与被测设备串联之外,它与脉冲’1’相似。图1是NUP2105L CAN 的 TVS保护器件对于 ISO 7637-1规范中的脉冲’2’产生的箝位作用的瞬变过程。
重复性的浪涌是用50ns的瞬变脉冲,它们的延续时间从15ms至300ms。这些测试信号是用来测试一个元件承受电感性负载接通电源或者切断电源、继电器触点颤动以及点火系统所产生的噪音的能力。

图1 用ISO 7637-1规范的脉冲’2’进行的测试。

ISO 7637-3规范的脉冲’a’和’b’用于确定系统承受重复性浪涌的能力。重复性浪涌是一种变化很快的瞬变电压(EFT),它的模型是一串高电压脉冲。重复性浪涌是一般是由电感性负载开关、继电器触点颤动、点火系统这些噪声源产生的。由于在连接线中存在寄生电容和寄生电感,重复的开关瞬变电压便通过这些寄生电容和寄生电感耦合到数据线电缆上。
一个系统承受ESD的电平通常是用人体模型(HBM)来表示,在集成电路说明书中都将它列出,或者是按照IEC 61000-4-2标准中的规定,IEC 61000-4-2标准往往是用于系统的测试。两种ESD规范都用于模拟人体直接接触到一个物体(例如连接器的I/O脚)产生的静电放电现象。NUP2105L[3]型TVS二极管的HBM和IEC接触静电放电的额定值为±30kV,这个数值提高了CAN系统的可靠性。
在系统测试、集成电路测试或者TVS器件测试中使用不同的浪涌测试电路。虽然在这些测试中每一种都有标准的测试规范(也就是ISO 7637-1规范中的脉冲’1’),但是由于测试的实际情况是不同的,因而测试结果有很大的差别。
系统浪涌测试一般使用一个耦合箝,耦合箝的极板平行地放在输入/输出(I/O)电缆的四周。测试电压加到这些电极上,它便在导线上产生浪涌电压。然而在测试CAN收发器时,是用一只电容器或者一只电感器把噪音信号耦合到集成电路的引出脚上,而TVS器件是直接地连接到信号产生器上,信号产生器产生的瞬变信号全部加到TVS器件上。图2是测试集成电路和TVS器件的电路,其中去掉了电缆这个测试变量,但是必须分析其他因素,然后才能得到有效的结果。
在测试集成电路时,耦合电容器的阻抗对收发器上的浪涌电压会产生影响。所有的电容器都会把直流电压隔开,但是,等效串联电阻和等效串联电感,以及电容的大小,会影响浪涌脉冲中高频能量的传送。电容器(Zc)的阻抗可以用下面的公式来计算,这里我们假定等效串联电阻和等效串联电感可以忽略不计。

可以用脉冲的上升时间(tr)来估计浪涌电压的频率,计算公式如下:

ISO 7637-1标准中的脉冲’1’测试信号的上升时间是1祍,它相当于频率318kHz。如果用一个1nF的电容器把浪涌电压耦合到收发器上,在318kHz时,电容器的阻抗等于500W。电容器的阻抗与信号产生器的内阻合在一起,决定了最大电流。用这个方法时,瞬变电压经过电容器衰减之后才加到集成电路上。
在设计CAN时,即使收发器的额定值超过ISO 7637标准的规定,仍然需要在外部采取保护措施。使用几种保护器件可以减少噪音,并把浪涌电压箝制在一个安全的电平上。TVS器件可以保护系统,防止浪涌电压造成损坏,因而CAN系统更加可靠,适合现在的应用系统使用。

图2 用来进行浪涌测试的电路图。

参考文献

[1] "ISO 11898-2, Road Vehicles - Controller Area Network (CAN), Part 2: High-Speed Medium Access Unit", ISO, 2003.
[2] "ISO 7637-3, Electrical Disturbance by Conduction and Coupling - Electrical Transient Transmission by Capacitive and Inductive Coupling via Lines Other Than Supply Lines", ISO, 1995.
[3] "NUP2105L - Dual Line CAN Bus Protector", ON Semiconductor, 2004.

 

 

 
 

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