高防护CAN接口电路技巧：CAN总线如何防雷？
CAN-bus起源于汽车总线，目前被广泛应用于环境复杂的工业现场，因此必要的总线防护是主板及设备安全的重要保障。今天我们聊一聊CAN总线防雷防护设计。
从广义上讲防雷包含两个概念，一是防雷击二是防浪涌。雷击是雷雨云中电荷瞬间释放的现象，它能在周围引起高能、瞬变的电场及磁场。浪涌包括浪涌电流、浪涌电压，它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象，如图1。雷击又可分为直击雷、非直击雷，直击雷是雷电直接作用到物体上，非直击雷则是通过电磁场感生出电动势、电流作用到物体上，两者都能产生浪涌电压、浪涌电流。
图1 电压浪涌
CAN总线物理层传输介质一般为铜制双绞线，容易受到电磁场的干扰。CAN收发器属于弱电元器件，对电压电流的冲击毫无抵抗力，因此复杂工业现场CAN总线的防雷设计十分必要。CAN总线防雷要从两方面入手，一是CAN收发器处，即接口防护；二是物理介质处，即传导防护。防护的思路主要是屏蔽干扰、提供泄放通道、隔离保护。
一、接口防护
CAN的接口防护一般是在收发器外加隔离保护器件，如光耦、磁耦等。为接口设计方便，我们可以使用一体化的收发器模块。相比于单个的收发器芯片，模块化的产品环境适应性更强。图2是超小体积、隔离型CAN收发模块，这种模块可以挂载到CAN总线上，拥有高达2500VDC隔离耐压值。
图2 隔离型CAN收发模块及应用电路
根据经验，隔离型模块在容易遭受大能量雷击的场合工作时，仍需要加更高等级的防护电路，保护模块不被损坏以及总线的可靠通信。常用的器件有GDT、TVS以及共模电感。如图3所示，GDT被放置于接口最前端，提供第一级的雷击浪涌防护。当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。后端的TVS提供第二级浪涌防护，具体规格可根据需求选择。
图3 高防护CAN接口电路
上述推荐的接口电路虽然能够提供有效的防护，但是需要引入较多的电子器件，这也就意味着接口电路将占用更多的PCB空间，若器件参数选择不合适易造成EMC问题。有没有更简洁的防护设计呢？可选择引入专业的浪涌抑制器，这种小体积模块采用灌封材料，具备高防护等级要求。
以SP00S12模块为例，它可以满足 IEC/EN &4KV 浪涌等级要求，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护，非常适合于CAN、RS-485 等通信领域的浪涌防护。以共模浪涌测试为例，在SP00S12输入端加载4KV、1.2/50&s 浪涌电压（图4），在输出端测试压降已被降低至17.1V（图5）。
图4 输入端电压波形4KV
图5 输出端波形电压17.1V
图6是一个 CAN节点电路设计，在收发器与CAN总线间添加 SP00S12，可使 CAN 信号端口轻松满足 IEC &4KV 的浪涌等级要求。
图6 浪涌抑制器的应用
除此之外，我们还有更好的选择，如图7采用一体化的高浪涌防护隔离 CAN 收发器可以完全代替隔离CAN收发器与浪涌抑制器的组合。此方案将最大限度简化电路设计、节省PCB空间、降低产品成本。它能够防护4KV浪涌、15KV静电的同时还具备极佳的EMC特性。&
图7 极简隔离方案
二、传导防护
传导防护主要是在传输线上进行的。CAN总线的数据传输介质一般为双绞线，它主要的作用是抗低共模干扰，但是在面对浪涌、雷击等情况时不仅没有防护作用，反而易造成节点设备的损坏。因此，具备室外环境、长传输距离、多节点设备特点的总线一般都要加隔离防护功能的网桥、中继器，如图8。当用户的CAN总线受到强干扰导致死机或者损坏，接上该系列产品后，可以隔离干扰保护设备正常运行。优秀的网桥及中继器具有2500VDC、&8KV静电等级的防护能力。
图8 网桥防护方案
有没有方法能彻底解决雷击造成的隐患呢？答案是肯定的，只要数据的传输不依赖电信号就能完全隔离掉雷击的危害。我们可以把CAN总线室外的部分或者说容易受到干扰的部分使用光信号传输，这种方法目前已经广泛应用于高速铁路、地铁、煤矿、医疗、航空航天、楼宇安防、电梯控制等场合。
图9 CAN转光纤防护方案
总线防护问题牵涉面广，需要理论与经验结合。好了，今天CAN总线防雷讨论就到这里。
原文标题：CAN总线如何防雷？
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电信与信息服务业务经营许可证：粤B2-如何提升CAN总线浪涌防护？
CAN总线虽然有较强的抗干扰能力，但在实际应用中依旧会受到静电以及浪涌的干扰，在CAN总线组网中我们应该如何提升总线的浪涌防护能力呢？其实并不难，这几种器件让你无忧。
先了解几种典型的瞬态骚扰。
表1 几种瞬态骚扰的比较
从表中可知，浪涌的能量最高，过电流最大，因此危害性也是最大。对于浪涌防护，介绍以下三种器件。
图1 双向TVS管特性图
反向截至电压VRWM：TVS不导通的最高电压；
钳位电压VC：二极管导通通过一定电流时两端的电压，随电流增大而增大；
反向电流IR：VRWM电压下的反向漏电流；
击穿电压VBR：TVS管通过规定测试电流IT(通常为1mA)时的电压，表示TVS管导通的标志电压；
峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs或8/20μs波的最大峰值电流。超过这个电流可能造成永久性损坏。由于功率限制，击穿电压高的管子允许通过的峰值电流越小；
CJ：TVS管的结电容比ESD器件大很多，单向的比双向的大，结电容会影响TVS管的响应时间，用于通讯总线时会限制总线带宽。
选型考虑参数：VC、IPP、CJ
二、气体放电管
直流击穿电压VDC：在放电管上施加100V/s上升斜率的电压时，导致放电管击穿的电压值，这是放电管的标称电压值，该参数分散性较大；
脉冲击穿电压VSI：在放电管上施加1kV/μs上升斜率的电压时，导致放电管击穿的电压值。冲击放电电流ID：分为8/20μs波和10/1000μs波冲击放电电流两种。
选型考虑：VDC、ID。
TVS管及气体放电管等器件手册中通常会给出两种电流波的测试参数。8/20μs波和10/1000μs波，两者的主要区别是持续时间及峰值电流，8/20μs峰值电流为kA级别，10/1000μs峰值电流为A级别。持续时间分别如图2、图3所示。
图2 8/20μs电流波
图3 10/1000μs电流波
三、PTC电阻
图4 PTC电阻特性
最大工作电压VMAX：最高允许温度下，PTC电阻能够持续承受的最大电压；
保持电流Ihold：使PTC阻值稳定在工作点阻值时的电流；
触发电流Itrip：能够使电阻阻值呈现阶跃增加的最小电流；
额定零功率电阻Rn：PTC在常温下的初始电阻；
开关温度TC：阻值呈现阶跃增加的温度，此时阻值为最小阻值的2倍。
选型考虑：Rn、Itrip、Ihold。
四、抗浪涌一体化方案
图5 浪涌测试电路
图6 CTM1051(A)HP的EMC性能
图7 应用原理图
来源：ZLG致远电子
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今日搜狐热点如何提高CAN总线接口防护设计的可靠性？
　　? 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，而工业控制的网络化，更拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。本篇硕凯电子的FAE工程师将从以下几大方面帮您实现CAN总线接口防护设计可靠性的提高。
　　? ?对于提高CAN总线的可靠性而言，离不开隔离、总线阻抗匹配、总线保护等，在设计CAN总线接口防护方案时要注意这些点以提高总线电路可靠性和安全性。
　　CAN总线的特点：
　　?1、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点;
　　?2、采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作;
　　?3、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络;
　　?4、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;
　　?5、可靠的错误处理和检错机制;
　　?6、发送的信息遭到破坏后，可自动重发;
　　?7、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;
　　?8、报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
　　CAN总线的应用
　　?CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。这些应用有些共同之处：CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。CAN总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。
　　汽车电子CAN总线防护方案设计思路
　　?CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域上的应用是最广泛的。CAN总线是设计用于车内控制和监控功能的双线通信总线。它们的线路有很大的可能性会暴露于瞬态浪涌，从而会导致未受保护的 CAN收发器出现故障。
　　?为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。
　　?由于汽车启动瞬间或者感性负载的开关等原因，会产生一个比较大的尖峰浪涌电压，容易造成CAN控制芯片损坏，因此在线&线之间加入TVS二极管，进行差模防护。在线&地之间各加入了一个TVS二极管，进行共模防护。
　　汽车电子CAN总线防护方案说明及注意事项
　　?1、前端采用通流量大的GDT，泄放大电流
　　?2、后级采用反应时间快的TVS，残压低，有效保护CAN控制芯片
　　?3、中间采用PTC做退藕，让前端GDT更容易动作，达到泄放电流作用
　　?4、方案需满足IEC、GBT1762.2等静电标准，IEC、GBT1762.5等浪涌标准
　　?5、本方案在差模，共模均采用的是同型号的TVS和GDT，防护无死角
　　?6、可通过10/700&S（等效内阻40ohm）、1.2/50-8/20&S测试，具体防护等级需参考GDT和TVS二极管的通流量。
　　?在 CAN总线技术的帮助下，内部各种传感器实现信息共享后，大大减少了车体内线束和控制器的接口数量，避免了过多线束存在的互相干涉、磨损等隐患，降低了汽车电气系统的故障发生率。打开发动机舱盖，看到的是清晰简洁的舱内布局。维修方面，CAN总线技术的应用也使得故障排查得到最便利的保证。CAN总线智能 管家系统符合欧美OBDII标准法规，实现了在线诊断的功能。在车辆发生故障后，各个控制器通过CAN总线智能管家系统存储故障代码，由专业人员，通过诊断仪为车辆诊断出各种故障状态，快速准确地查找到故障点，第一时间排除故障。利用CAN总线技术实现系统集成的信息传输，大大提高了各部件的响应速度，减少了配件磨损发生率，也相应的降低了维修成本;而且，先进集成技术的应用，也大幅提高了车辆自身的科技含量，增强了产品竞争力。
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