汽車(chē)自問(wèn)世以來(lái)取得了長(zhǎng)足發(fā)展?，F(xiàn)在的汽車(chē)擁有眾多功能，包括自動(dòng)和半自動(dòng)駕駛、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、前后碰撞警告、車(chē)道輔助、自動(dòng)泊車(chē)輔助和自動(dòng)緊急制動(dòng)等。

GPS 導(dǎo)航、車(chē)內(nèi)氛圍照明、環(huán)視攝像頭、高級(jí)信息娛樂(lè)系統(tǒng)、有源天線(xiàn)等高級(jí)功能更是大多數(shù)現(xiàn)代汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

每個(gè)車(chē)輛功能通常由單獨(dú)的電子控制單元 (ECU) 監(jiān)測(cè)和控制。每輛現(xiàn)代汽車(chē)中大約有 50 到 100 個(gè) ECU，每個(gè) ECU 負(fù)責(zé)一項(xiàng)或多項(xiàng)功能。

ECU 與多個(gè)傳感器一起工作，例如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、氣壓傳感器、車(chē)門(mén)傳感器等。它接收來(lái)自傳感器的信息，并相應(yīng)地調(diào)整控制的車(chē)輛參數(shù)。有時(shí)候，一個(gè) 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(diǎn)火開(kāi)關(guān)里的車(chē)鑰匙拔出來(lái)，那相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制 ECU就會(huì) 與車(chē)門(mén) ECU 通信，使車(chē)門(mén)保持打開(kāi)狀態(tài)且揚(yáng)聲器ECU發(fā)出警報(bào)。

通過(guò)CAN總線(xiàn)的ECU通信

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

ECU 通過(guò) CAN 控制器（類(lèi)似于處理所有活動(dòng)必要數(shù)據(jù)的微控制器）連接到 CAN 總線(xiàn)。還會(huì)有一個(gè) CAN 收發(fā)器用于連接 CAN 控制器和 CAN 總線(xiàn)。它將晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的差分電壓信號(hào)，供 CAN 總線(xiàn)讀取及解釋。CAN 總線(xiàn)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 汽車(chē) CAN 總線(xiàn)架構(gòu)

CAN 總線(xiàn)的瞬態(tài)保護(hù)

為具有 50 到 100 個(gè) ECU 的嚴(yán)苛汽車(chē)環(huán)境設(shè)計(jì) CAN 接口系統(tǒng)時(shí)，必須確保充分保護(hù)，以免受電氣過(guò)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(hù)元件免受 ESD 威脅并滿(mǎn)足現(xiàn)代汽車(chē)的安全性和可靠性要求，就變得更加重要。

可通過(guò)在 CAN 總線(xiàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)上放置一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)保護(hù)，以防止上升沿在納秒級(jí)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(kāi)路。它不會(huì)干擾電路其余部分的正常工作。

在瞬態(tài)事件期間，受保護(hù) CAN 收發(fā)器端子上的電壓可能會(huì)超過(guò)安全運(yùn)行極限。此時(shí)TVS 二極管通過(guò)提供低阻抗路徑，轉(zhuǎn)移收發(fā)器電路的瞬態(tài)電流來(lái)達(dá)到保護(hù)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(xiàn)由 CAN_H 和 CAN_L 的兩條線(xiàn)組成。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，CAN_H 的電平電壓會(huì)達(dá)到 3.75V，而 CAN_L 降至 1.25V。當(dāng) CAN 總線(xiàn)不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，CAN_H 和 CAN_L 的電平電壓都保持為 2.5V。

需要記住的是，汽車(chē)一般使用 12V 電池。雖然快速啟動(dòng)通常使用的是 12V 電池，但某些服務(wù)車(chē)輛會(huì)使用 24V 電池。

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

選擇 TVS 二極管時(shí)要考慮的另一個(gè)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(kāi)始傳導(dǎo)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提到的泄漏電流時(shí)的電壓。

Semtech 的 μClamp2424PWQ（如圖 2 所示）是一款四通道器件，可保護(hù) CAN 總線(xiàn)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(chē)輛需要快速啟動(dòng)，這些電壓也足以保護(hù) CAN 收發(fā)器。

圖2 CAN 總線(xiàn)系統(tǒng)可以使用的 ESD 保護(hù)選擇

我們?cè)賮?lái)看另一個(gè)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(hù) CAN 總線(xiàn)系統(tǒng)或任何其他系統(tǒng)。μClamp2424PWQ 在最大峰值電流為 5A 時(shí)的典型鉗位電壓為 44V。每條器件線(xiàn)的額定最大 EOS 電流為 5A (tp = 8/20μs)。

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

μClamp2424PWQ 在線(xiàn)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(hù) CAN 收發(fā)器而不破壞信號(hào)完整性的合適選擇。

符合第 4 級(jí) IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)和 AEC-Q 認(rèn)證也是汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hù)。器件支持 DFN (2.5x1.0x0.55mm) 封裝，帶有先進(jìn)的可濕性側(cè)面，用于自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè) (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(chē)通信總線(xiàn)提供保護(hù)。在惡劣的汽車(chē)環(huán)境中，精心設(shè)計(jì)和合適的 TVS 二極管對(duì)于保護(hù)通信總線(xiàn)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(hù)高速汽車(chē) CAN 總線(xiàn)以及其他通信總線(xiàn)。