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汽车总线CAN BUS的保护设计
2018-05-02 14:45:59· 来源：电磁兼容EMC
近年来人们对车身舒适性，安全性及信息娱乐性的智能化高度要求，汽车电子也持续的高速发展着，目前车用电子所占比汽车成本约为40%~60%，各种的车身电子控制系统和车载电子控制装置持续的引入汽车设计架构中，包含各式的传感器模块单元，如温度，轮速，转角和加速度等传感器，搭载着电动辅助转向和电子式驻煞车系统，不断满足我们驾驶员和乘客的舒适乘坐和安全需求。
近年来人们对车身舒适性，安全性及信息娱乐性的智能化高度要求，汽车电子也持续的高速发展着，目前车用电子所占比汽车成本约为40%~60%，各种的车身电子控制系统和车载电子控制装置持续的引入汽车设计架构中，包含各式的传感器模块单元，如温度，轮速，转角和加速度等传感器，搭载着电动辅助转向和电子式驻煞车系统，不断满足我们驾驶员和乘客的舒适乘坐和安全需求。
而在这些为数众多的车用电子系统之间，车用控制器局域网络接口(CAN Bus)由于采用双线串接拓朴架构，可串接或并接任意节点装置，不仅使布线及维护的复杂度大幅降低，并可一并降低线材及布线成本，因此成为首选的车用系统传输接口。
CAN Bus传输接口所采用的双线差动(Two wire differential)传输技术，若某条差动讯号线因为断线或接地故障而无法传输讯号，仍然能转换为单线讯号传输模式，因此可大大减低车内系统通讯沟通不良的机率，不仅提升了车身功能的稳定度，其差动双绞线的连接方式也具有抗共模电磁干扰能力。此外CAN Bus是以多主机的架构型态传送接收讯号，每个主机均能主动发出通讯指向特定节点，因此能够保持在线最大空间状态来应付巨大数据量的传送接收，不仅丰富了车身功能，若有任一主机节点故障时亦不受影响，可确保驾驶人的行车体验，减少故障维修的风险。
CAN Bus的传输速度可以有不同的选择，目前应用最高需求至1Mbps，且其传输距离最远可达1000M，因此可满足应用于车内不同子系统对不同传输速度和传输距离的要求，因而在开发阶段时的成本，车体重量，规格特性上的诸多考虑下，CAN Bus接口皆能满足以上需求，以致现阶段约有70%的汽车皆已采用CAN Bus昨为其传输界面使用。
而作为频繁和人体接触的汽车环境，静电放电事件(ESD)，电气过载事件(EOS)，以及电性快速瞬时事件(EFT)会经常出现在汽车运行过程中，这对于行驶中的汽车是一个潜在的威胁，而CAN收发芯片在设计时会考虑一些静电的抗扰，但级别远远达不到系统级测试的要求，故对于CAN通信接口的保护设计变得非常重要。
目前汽车电子涉及EMC测试的标准主要分为2类：
1：针对电源供电的传导瞬时测试
2：针对通信接口的静电、浪涌测试
针对电源测试包含有Pulse 1(a)仿真电感性负载因电源切断产生的瞬时事件，Pulse 2(a)模拟束线的电感性负载因为电流突断产生的瞬时，Pulse 2(b)模拟鼓风机或雨刷马达因运转的电源移除所产生的瞬时，Pulse 3(a)(b)则是模拟因为切换过程产生的瞬时波，pulse 5 电池掉电的抛负载瞬时波。
本文主要介绍的是CAN接口的静电、浪涌测试。
静电测试标准一般都有国际电工委员会所制定的IEC61000-4-2和国际标准化组织制定的ISO10605 标准，这两者的测试模型一样，具体就是内部发生器的电容值不一样，而且汽车级产品规定了需满足ISO10605 空气25KV的测试需求。
如图所示，列举了2个标准中各个测试级别的能量示意，所以汽车产品测试的25KV静电放电能力比IEC规定的15KV测试严格很多。
为了保护CAN收发器不受上面提到的ISO10605 ESD等恶劣瞬态电压的影响，可以在总线线路CANH和CANL上放置一个TVS二极管。这个TVS二极管作为一个钳制电路，将任何出现的高能脉冲引向接地，使其远离收发器。当选择一个二极管时，有一点要注意，要按照设计要求，使二极管的额定值达到预计能量等级
雷卯SMC24为SOT23封装的双向24V保护组件。
低电容的产品可以满足CAN信号速度高达2Mbit/s的速度而不会丢包；
低的钳位电压也确保瞬态浪涌发生时，后端芯片承受较小的浪涌压力；
ESD防护等级可达IEC61000-4-2接触放电和空气间隙放电30kV，而EFT防护等级则可达IEC61000-4-4 4kV，并通过AECQ101车规可靠度验证，保证操作温度从低温-55度C至高温125度C，以确保车体内的严苛的高低温操作环境应用。
ESD器件的布置建议
a) 将设备尽可能靠近输入端或连接器。
b) 最小化设备与受保护线路之间的路径长度。
c) 将并行信号路径保持在最低限度。
d) 避免运行受保护的导体与未受保护的导体并联。
e) 最小化所有印刷电路板（PCB）的导电回路，包括电源和接地回路。
f) 最小化对地的瞬态返回路径长度。
g) 避免使用共享的瞬态返回路径到公共接地点。
h) 尽可能使用地平面，多层印刷电路板，使用地面通孔。
而在这些为数众多的车用电子系统之间，车用控制器局域网络接口(CAN Bus)由于采用双线串接拓朴架构，可串接或并接任意节点装置，不仅使布线及维护的复杂度大幅降低，并可一并降低线材及布线成本，因此成为首选的车用系统传输接口。
CAN Bus传输接口所采用的双线差动(Two wire differential)传输技术，若某条差动讯号线因为断线或接地故障而无法传输讯号，仍然能转换为单线讯号传输模式，因此可大大减低车内系统通讯沟通不良的机率，不仅提升了车身功能的稳定度，其差动双绞线的连接方式也具有抗共模电磁干扰能力。此外CAN Bus是以多主机的架构型态传送接收讯号，每个主机均能主动发出通讯指向特定节点，因此能够保持在线最大空间状态来应付巨大数据量的传送接收，不仅丰富了车身功能，若有任一主机节点故障时亦不受影响，可确保驾驶人的行车体验，减少故障维修的风险。
CAN Bus的传输速度可以有不同的选择，目前应用最高需求至1Mbps，且其传输距离最远可达1000M，因此可满足应用于车内不同子系统对不同传输速度和传输距离的要求，因而在开发阶段时的成本，车体重量，规格特性上的诸多考虑下，CAN Bus接口皆能满足以上需求，以致现阶段约有70%的汽车皆已采用CAN Bus昨为其传输界面使用。
而作为频繁和人体接触的汽车环境，静电放电事件(ESD)，电气过载事件(EOS)，以及电性快速瞬时事件(EFT)会经常出现在汽车运行过程中，这对于行驶中的汽车是一个潜在的威胁，而CAN收发芯片在设计时会考虑一些静电的抗扰，但级别远远达不到系统级测试的要求，故对于CAN通信接口的保护设计变得非常重要。
目前汽车电子涉及EMC测试的标准主要分为2类：
1：针对电源供电的传导瞬时测试
2：针对通信接口的静电、浪涌测试
针对电源测试包含有Pulse 1(a)仿真电感性负载因电源切断产生的瞬时事件，Pulse 2(a)模拟束线的电感性负载因为电流突断产生的瞬时，Pulse 2(b)模拟鼓风机或雨刷马达因运转的电源移除所产生的瞬时，Pulse 3(a)(b)则是模拟因为切换过程产生的瞬时波，pulse 5 电池掉电的抛负载瞬时波。
本文主要介绍的是CAN接口的静电、浪涌测试。
静电测试标准一般都有国际电工委员会所制定的IEC61000-4-2和国际标准化组织制定的ISO10605 标准，这两者的测试模型一样，具体就是内部发生器的电容值不一样，而且汽车级产品规定了需满足ISO10605 空气25KV的测试需求。
如图所示，列举了2个标准中各个测试级别的能量示意，所以汽车产品测试的25KV静电放电能力比IEC规定的15KV测试严格很多。
为了保护CAN收发器不受上面提到的ISO10605 ESD等恶劣瞬态电压的影响，可以在总线线路CANH和CANL上放置一个TVS二极管。这个TVS二极管作为一个钳制电路，将任何出现的高能脉冲引向接地，使其远离收发器。当选择一个二极管时，有一点要注意，要按照设计要求，使二极管的额定值达到预计能量等级
雷卯SMC24为SOT23封装的双向24V保护组件。
低电容的产品可以满足CAN信号速度高达2Mbit/s的速度而不会丢包；
低的钳位电压也确保瞬态浪涌发生时，后端芯片承受较小的浪涌压力；
ESD防护等级可达IEC61000-4-2接触放电和空气间隙放电30kV，而EFT防护等级则可达IEC61000-4-4 4kV，并通过AECQ101车规可靠度验证，保证操作温度从低温-55度C至高温125度C，以确保车体内的严苛的高低温操作环境应用。
ESD器件的布置建议
a) 将设备尽可能靠近输入端或连接器。
b) 最小化设备与受保护线路之间的路径长度。
c) 将并行信号路径保持在最低限度。
d) 避免运行受保护的导体与未受保护的导体并联。
e) 最小化所有印刷电路板（PCB）的导电回路，包括电源和接地回路。
f) 最小化对地的瞬态返回路径长度。
g) 避免使用共享的瞬态返回路径到公共接地点。
h) 尽可能使用地平面，多层印刷电路板，使用地面通孔。
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