Skyddsdesign med TVS-diod förbättrar CAN-bussens tillförlitlighet

CAN-bussen (Controller Area Network) – en populär standardbuss för fordon och andra tillämpningar – har en hög grad av inbyggd immunitet mot överspänningar och strömtoppar. Elektroniknätverket i moderna fordon kan innehålla upp till 70 elektronikstyrenheter (ECU:er), vilket gör att konstruktörerna lägger allt större vikt vid att förhindra skador på grund av strömtransienter som kan orsakas av exempelvis blixtnedslag och elektrostatisk urladdning. Elektroniksystemets känslighet ökar risken för fel och kan försämra fordonets tillförlitlighet.

Det finns många TVS-enheter (transient voltage suppression, avledning av transientspänning), men fordonstillämpningar begränsas ofta av kostnads-, vikt- och tillförlitlighetsspecifikationer. På grund av sådana begränsningar elimineras många av de större, mer komplexa TVS-enheterna. Men på senare tid har tillverkarna introducerat fordonsklassade versioner av den vanliga TVS-dioden, och dessa erbjuder en prisvärd, kompakt och mycket tillförlitlig kretsskyddslösning. Till skillnad från vissa alternativ, förbättrar TVS-dioderna CAN-sändtagares bruskänslighet och har försumbar inverkan på högfrekventa kommunikationssignaler.

I den här artikeln beskrivs hur TVS-dioder kan ge ett mycket bra, prisvärt skydd i känsliga CAN-busstillämpningar. I artikeln förklarar vi varför det är viktigt att välja den fordonsklassade varianten, men också varför man bör ta hänsyn till toppspänning och toppström, kapacitans, läckström och förreglingsspänning, för att få ett heltäckande skydd av känsliga ECU:er och CAN-sändtagare. Längre fram i artikeln introduceras ett antal lämpliga TVS-lösningar från Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns och Semtech, och vi förklarar hur du använder dem på bästa sätt.

Introduktion till CAN

CAN skapades ur behovet av att tillsätta mer elektronik i fordon utan att göra kablaget tyngre och mer komplext. CAN-standarden ger specifikationer för ett robust peer-to-peer-nätverk som stöder flera fysiska lager (PHY), men det vanligaste fysiska lagret är höghastighetsversionen (en tvåledarimplementering som ger rådatahastigheter på upp till 1 Mbit/s). Nätverket medger kommunikation mellan flera CAN-enheter, såsom ECU:er. För anslutna ECU:er krävs endast ett CAN-gränssnitt (istället för flera analoga och digitala I/O:er) för att ansluta till alla andra enheter i nätverket, vilket ger ett enklare och mindre kostsamt kablage.

Ett typiskt differentialsystem för CAN-buss (CAN H/CAN L) innehåller sändtagare som kommunicerar på en seriell buss. En partvinnad kabel med en nominell karakteristisk impedans på 120 Ohm (Ω) används för att överföra signalen mellan noderna i bussen. Oftast används en delad termineringstopografi för att förbättra immuniteten mot elektromagnetiska störningar (figur 1).

Figur 1: CAN-bussen använder ett differentiellt kommunikationssystem, där sändtagarna kan kommunicera tillförlitligt över en seriell buss. (Bildkälla: Bourns)

CAN-ECU:er och sändtagare innehåller ömtåligt kisel, men förväntas ändå klara tuffa driftförhållanden. Till exempel kräver de flesta fordonstillverkare specifikationer som uppfyller kraven för AEC-Q100, ett stresstest för fordonselektronik. Större biltillverkare kräver också överensstämmelse med de senaste internationella standarderna (ISO 7637 och IEC 61000-4-5). I standarderna preciseras testtransienter som används för att simulera elektriska störningar i lednings- och kopplingssystemet under fordonsdrift.

Några chippleverantörers erbjudanden uppfyller specifikationerna. Ett exempel är Texas Instruments CAN-sändtagare SN65HVD1050DRG4, som har korslednings-, överspännings- och jordförlustskydd från -27 V till 40 V och dessutom avstängning vid övertemperatur. Chippet klarar också ISO 7637-standardens specifikationer för -200 V till 200 V.

En nackdel med enheter som har bra specifikationer är kostnaden – en avgörande faktor vid fordonskonstruktion. Ytterligare att tänka på är att, även om en tålig enhet kanske klarar transienter under en viss period, kan upprepad exponering leda till skador. Och för det tredje kan blixtnedslag och elektrostatisk urladdning utsätta fordonets elektronik för spänningar och strömmar som är mycket högre än standardernas specifikationer. Ett extra skydd, som gör att transienter avleds till jord och därmed bort från det känsliga kiselmaterialet, är en bra investering för fordonstillverkare som eftersträvar högre tillförlitlighet.

Avledning av transientspänning med hjälp av dioder

Det finns flera etablerade tekniker för att skapa skydd mot spänningstransienter. Huvudteknikerna är blockering, dämpning och isolering. Enkelt beskrivet baseras blockering på säkringar och kretsbrytare. Dämpning baseras på TVS-enheter såsom TVS-dioder och metalloxidvaristorer (MOV), och för isolering används isoleringsenheter såsom optokopplare och transformatorer.

Blockering är effektivt och billigt. Nackdelen är att enheterna måste ersättas eller återställas om de har löst ut, vilket inte är särskilt behändigt i fordonstillämpningar. I andra änden av spektrumet finns isolationsenheter. De är fullständigt effektiva och måste inte återställas eller bytas ut. Däremot är de otympliga, komplexa och dyra. TVS-enheter intar en mellanställning. De är effektiva, kompakta och har en prisnivå i mitten.

Det finns olika typer av TVS-enheter, inklusive TVS-dioder (och TVS-diodmatriser), metalloxidvaristorer och tillverkarnas egna transientskyddsenheter. TVS-dioder är inte de mest högpresterande TVS-enheterna, men de är prisvärda och tåliga (i synnerhet när de kombineras med CAN-noder som uppfyller kraven enligt AEC-Q100 och ISO 7637), vilket gör dem till ett bra kretsskyddsalternativ i tillämpningar med utrymmes- och kostnadsbegränsningar.

En TVS-diod är en p-n-enhet som är särskilt utformad för att ha en stor tvärsnittsyta, för att kunna ta upp stora strömtransienter. En TVS-diod har liknande spännings- och strömegenskaper som en zenerdiod, men TVS-dioden är utformad för spänningsdämpning snarare än spänningsreglering. En viktig fördel med TVS-dioden är den snabba responsen (vanligen inom endast några nanosekunder) på transienter – transientenergin avleds på ett säkert sätt till jord medan konstant förreglingsspänning bibehålls – jämfört med andra undertryckningsenheter.

Teoretiskt är det en okomplicerad skyddsmekanism. Under normala driftförhållanden levererar TVS-dioden hög impedans till den skyddade kretsen, men när säker driftspänning överskrids i den krets som skyddas, intar TVS-dioden lavinläge och ger transientströmmen en lågimpedansväg till jord. Den högsta spänning som den skyddade kretsen utsätts för är vanligen ganska låg och begränsad till diodens förreglingsspänning. TVS-enheten återgår till högimpedansläget när transientspänningen avtar (figur 2).

Figur 2: TVS-dioder som skyddar kretsar genom att erbjuda en väg till jord och samtidigt håller förreglingsspänningen på säker nivå. (Bildkälla: Semtech)

I praktiken är skyddskretsarna för CAN-system mer komplexa, eftersom nätverket transporterar ström men även data, som överförs via ett annat signalsystem

TVS-dioder för CAN-tillämpningar

Det finns två typer av TVS-dioder: enkelriktade och dubbelriktade. Båda typerna skyddar mot både positiva och negativa överspänningar. Den främsta skillnaden är överslagsspänningen (den spänning då enhetens lavinläge aktiveras, så att låg impedans uppnås). Den dubbelriktade enheten har samma överslagsspänning i båda riktningarna, medan den enkelriktade enheten har mycket lägre överslagsspänning (lika med diodens framåt-biasspänning) för negativa transienta spänningstoppar.

Enkelriktade och dubbelriktade enheter kan användas för samma tillämpningar, men de olika egenskaperna kan innebära specifika fördelar i olika tillämpningar. Till exempel om CAN-sändtagaren används i en digital integrerad logikkrets, ger den enkelriktade TVS-diodens låga överslagsspänning för negativa översströmmar ett överlägset skydd.

En av de främsta fördelarna med dubbelriktade TVS-enheter är att de löser problemet med offsetspänning i common-mode. Detta inträffar eftersom CAN-sändtagare måste kunna fungera med en signalledningsspänning som kan vara förskjuten upp till 2,0 V från nominell spänningsnivå. Eftersom dubbelriktade TVS-enheter har en stor förreglingsspänning i negativ och positiv riktning, förreglas de inte av förskjuten signalledningsspänning. Dubbelriktade TVS-dioder kan sättas in som direkt ersättare för dubbelriktade metalloxidvaristorer.

Det finns flera möjliga topologier för CAN-busskydd. Den enklaste innehåller ett TVS-diodsystem med två dubbelriktade dioder, en över CAN_H-ledning och jord (eller DATA_H), och den andra över CAN_L-ledning och jord (eller DATA_L). I ett alternativa arrangemang byts de dubbelriktade TVS-dioderna mot enkelriktade dioder (figur 3).

Figur 3: Beroende på tillämpning kan antingen dubbelriktade (vänster) eller enkelriktade (höger) TVS-dioder användas. Många tillverkare erbjuder lösningar där de två typerna av dioder integreras i samma enhet. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Det går att använda separata TVS-dioder för att skydda varje CAN-dataledning, men många tillverkare erbjuder enheter som innehåller båda typerna av dioder. ON Semiconductor erbjuder till exempel TVS-dioden NUP2105LT1G, som ger ett dubbelriktat skydd för varje CAN-dataledning, i ett kompakt SOT-23-format. Enheten klarar effektavledning på maximalt 350 W. NUP1105LT1G heter den enkelriktade motsvarigheten.

När konstruktören har bestämt sig för en topologi, bestäms kretsens prestanda av den valda TVS-dioden, som bör matcha behoven för tillämpningen.

De viktigaste parametrarna för dubbelriktade TVS-dioder är:

• Omvänd arbetsspänning (V_RWM) – som är maximal arbetslikspänning. Vid denna spänning är dioden i ett icke-ledande tillstånd och fungerar som en högimpedanskondensator.
• Omvänd överslagsspänning (V_BR) – vilket är den punkt (vanligen vid 1 mA) där enheten är i lavinläge och övergår till låg impedans.
• Toppulsström (I_PP) – vilket är enhetens specificerade maximala översström.
• Maximal förreglingsspänning (V_C) – vilket är maximalt spänningsfall över dioden vid I_PP.
• Omvänd läckström (I_R) – den uppmätta strömmen vid V_RWM.
• Testström (I_T) – strömmen vid V_BR (figur 4).

Figur 4: Spännings-/strömegenskaper för dubbelriktade TVS-dioder, illustrerande de viktigaste enhetsparametrarna. (Bildkälla: ON Semiconductor)

CAN-specifikationen beskriver avgörande sändtagaregenskaper, som bestämmer egenskaperna för de TVS-dioder som har valts för att skydda mot transienter. Viktiga parametrar är:

• -3,0/16 V min/max busspänning (12 V-system)
• -2,0/2,5 V min/nom CAN_L common-mode-busspänning
• 2,5/7,0 V nom/max CAN_H common-mode-busspänning
• Rekommenderat ≥ ±8,0 kV (kontakt) elektrostatisk urladdning
• Immunitet mot överspänningspulser, enligt ISO 7673-3/IEC 61000-4-5

De parametrar som utvecklaren först och främst bör överväga är V_RWM och V_BR. Värdena ska vara sådana att TVS-dioden, under normal drift, håller hög impedans, som dock inte får vara så hög att enheten inte är ledande förrän CAN-sändtagaren har utsatts för farligt hög spänning. Elektroniksystem i fordon drivs vanligen av ett 12 V-batteri, men de flesta system är också utformade för att i nödsituationer kunna startas från en 24 V-källa. Detta bör tas i beaktande när man väljer TVS-diod.

Till exempel har NU2105L från ON Semiconductor ett V_RWM på 24 V och ett V_BR på 26,2 V vid 1 mA. Bourns CAN-busskydd CDSOT23-T24CAN, en ”dubbel dubbelriktad” TVS-diod i SOT-23-format, har identiska specifikationer.

Därnäst bör utvecklaren ta hänsyn till TVS-diodens maximala kapacitans. Med stor kapacitans försämras signalintegriteten. Ju högre datahastighet, desto lägre bör kapacitansen vara. Tumregeln för maximal kapacitans mellan signalledningar och jord är 100 pF (pikofarad) vid datahastigheten 125 kbit/s och 35 pF vid 1 Mbit/s. I databladen anges kapacitansen ibland vid 0 V, och ibland vid CAN-sändtagarnas genomsnittliga spänning, som är 2,5 V. Vidare bör kapacitansen hos de två differentialsignalerna matchas för att upprätthålla pulsbreddsintegriteten i förstärkarens utsignal.

Vid 0 V och 1 Mbit/s har Bourns CDSOT23-T24CAN (exempelvis) en kapacitans på 22 pF mellan signalledning och jord. Semtechs UCLAMP2492SQTCT, ett SOT-23-paket med två dubbelriktade TVS-dioder, särskilt utformat för att erbjuda CAN-busskydd, har en kapacitans på 15 pF (vid 0 V och 1 Mbit/s) mellan signalledning och jord.

Det är också bra att välja en enhet med låg omvänd läckström (I_R), för att maximera systemets effektivitet. Observera att I_R ökar med temperaturen, vilket innebär att driftförhållandena bör tas i beaktande när man väljer enhet. Till exempel har NUP2105L ett I_R-värde på 0,1 µA vid 25 °C. UCLAMP2492SQTCT-enhetens I_R-värde är 0,2 µA vid 25 °C och 0,35 µA vid 125 °C.

Slutligen bör utvecklaren se till att TVS-dioden kan avleda energin från icke-repetitiva överspänningar utan att orsaka skador, och att förreglingsspänningen vid toppströmmen inte ger skador på CAN-sändtagaren.

I IEC 61000-4-5, en standard för testning av överspänningsimmunitet, beskrivs den typiska överspänningsvågform som används för att bestämma en TVS-diods kapacitet. Vågformen når 90 % av sitt toppvärde inom 8 µs och avtar till 50 % av toppvärdet inom 20 µs. I datablad beskrivs detta ofta som ”8/20 µs-vågformen” (figur 5).

Figur 5: Exempel på vågformsparametrar (”8/20 µs”) enligt IEC 61000-4-5-standarden, för testning av TVS-dioders överspänningsimmunitet. (Bildkälla: Bourns)

Figur 6 visar hur Bourns TVS-enhet CDSOT23-T24CAN svarar på en 11 A, 8/20 µs vågform. Nominell maximal förreglingsspänning är 36 V för 5 A överström, och 40 V för 8 A överström. Motsvarande värden för ON Semiconductors NUP2105L är 40 V och 44 V, med en toppeffektavledning på 350 W. För Semtechs UCLAMP2492SQTCT är motsvarande värde 44 V vid 5 A.

Figur 6: Diagram för CDSOT23-T24CAN:s respons på en 11 A 8/20 µs vågform Observera TVS-diodpaketets snabba respons på överspänningen, och toppförreglingsspänningen på 36,4 V. (Bildkälla: Bourns)

När du väl har valt lämpliga TVS-dioder för ett visst projekt, bör du också noggrant överväga vilken pc-kortlayout som kan ge optimala prestanda. Som grundläggande princip ska TVS-dioderna leda bort potentiellt skadliga överspänningar från CAN-sändtagaren till jordplanet.

Bourns, till exempel, rekommenderar att SOT-23-enheten placeras så nära busskopplingen som möjligt, med korta spår till signalledningarna. Företaget rekommenderar vidare att vanligt kopparspår på 10 mil, 1 ounce är mer än tillräckligt för att hantera toppströmmar från typiska transienter. Ett kort spår och via ska användas för att ansluta enhetens jordstift till PCB-jordplanet. Och slutligen, om det finns ett jordplan på signalsidan nära TVS-dioden, ska komponenten anslutas direkt till jordplanet (figur 7).

Figur 7: Rekommenderad pc-kortlayout för Bourns CDSOT23-T24CAN. SOT-23-höljet med TVS-dioder ska placeras så nära CAN-busskopplingen som möjligt. (Bildkälla: Bourns)

Slutsatser

Kostnads-, utrymmes- och viktspecifikationer begränsar urvalet av lösningar som kan skydda CAN-bussenheter mot extrema händelser såsom blixtnedslag och elektrostatisk urladdning. TVS-dioder erbjuder en rimlig kompromiss mellan tillgänglig skyddskapacitet och de nämnda begränsningarna. Nyckeln till framgångsrik implementering är att välja en TVS-diod med egenskaper som passar för tillämpningen, så att fullgott skydd uppnås utan att normal drift av CAN-bussen äventyras.

På senare tid har ett antal kompakta (SOT-23) lösningar – specifikt anpassade för fordons-CAN-system och med enkelriktade eller dubbelriktade TVS-enheter – introducerats på marknaden. Dessa förenklar komponentvalet, konstruktionerna och utrymmeskraven.

Referenser

1. Circuit Configuration Options for TVS Diodes, AND8231/D, ON Semiconductor, mars 2017.
2. TVS Diode Selection Guidelines for the CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, augusti 2004.