CAN

Рекомендации по выбору TVS-диодов для шины CAN

TVS-диоды представляют собой бюджетное решение для защиты от кондуктивной и индуктивной электромагнитных помех, а также от электростатического разряда. Уровень помехозащищенности и надежности CAN-трансиверов может быть легко повышен установкой внешних TVS-диодов. Они защищают от сбоев в работе, вызванных переходными процессами. В статье приведены рекомендации по выбору TVS-диодов для защиты линий данных CAN.
262
В избранное

Протокол CAN (Controller Area Network) был разработан для обеспечения надежной высокоскоростной передачи данных в суровых условиях.

В этой статье приведены рекомендации по выбору TVS-диодов для защиты линий данных CAN.

TVS-диоды представляют собой бюджетное решение для защиты от кондуктивной и индуктивной электромагнитных помех, а также от электростатического разряда. Уровень помехозащищенности и надежности CAN-трансиверов может быть легко повышен установкой внешних TVS-диодов. Они защищают от сбоев в работе, вызванных переходными процессами.

NUP2105L — матрица TVS-диодов для шины CAN

NUP2105L представляет собой сборку из двух двунаправленных TVS-диодов в компактном корпусе SOT−23, которая предназначена для подавления переходных напряжений в линиях данных CAN. Работа устройства базируется на технологии Зенера, оптимизирующей активную зону PN-перехода для надежной защиты от электромагнитных импульсов и электростатических разрядов. На рисунке 1 приведена схема NUP2105L.

NUP2105L - двунаправленные TVS-диоды для защиты от переходных напряжений и электростатических разрядов
Рис. 1. NUP2105L - двунаправленные TVS-диоды для защиты от переходных напряжений и электростатических разрядов

Сборка NUP2105L была протестирована электромагнитными импульсами и электростатическими разрядами, уровни которых превышали допустимые пределы для популярных высокоскоростных CAN-сетей.

Характеристики устойчивости NUP2105L к электромагнитным импульсам и электростатическим разрядам:

  • пиковое рассеивание мощности на одну линию (8x20 с) — 350 Вт;
  • испытания на электростатический разряд с использованием модели «Human Body Model» - 16 кВ;
  • IEC−61000−4−2: уровень контактного разряда — 30 кВ;
  • ISO 7637−1: испытания на устойчивость к неповторяющемуся электромагнитному импульсу – 9,5 A (1x50 с);
  • ISO 7637−3: испытания на устойчивость к повторяющимся импульсам быстрых переходных процессов - 50 A (5x50 нс);
  • IEC 61000−4−5: устойчивость к переходным процессам, вызванным разрядами молнии и коммутацией нагрузки - 10 A (8x20с).

NUP2105L является кремниевым полупроводниковым прибором, что дает ощутимые преимущества по сравнению с устройствами защиты от переходного напряжения других типов, таких как дроссельные фильтры и металл-оксидные варисторы. TVS-диоды обладают быстрым временем реакции, малой емкостью и низким напряжением срабатывания. Время реакции NUP2105L составляет менее 1,0 нс, что позволяет погасить выбросы напряжения, вызванные быстрыми переходными процессами, прежде чем они приведут к повреждениям.

Благодаря использованию кремния устройство имеет емкость менее 30 пФ, что позволяет применять его на частотах передачи выше 1,0 МГц. Предельное напряжение срабатывания, определяемое для импульса экспоненциальной формы 8х20с с током 10 А, составляет примерно 42 В. Малое напряжение срабатывания гарантирует, что выброс напряжения в линиях данных CAN_H и CAN_L трансивера не превысит максимально допустимое.

На рисунке 2 показан классический пример защитной цепи для шины CAN-интерфейса. Цепь обеспечивает защиту линий данных CAN_H и CAN_L, уменьшая выброс напряжения до уровня, безопасного для CAN-трансивера.

Цепь защиты от переходных напряжений высокоскоростного отказоустойчивого CAN-интерфейса
Рис. 2. Цепь защиты от переходных напряжений высокоскоростного отказоустойчивого CAN-интерфейса

Основные параметры TVS-диодов

Первым шагом в выборе супрессоров является определение их параметров. На рисунке 3 приведена вольтамперная характеристика двунаправленных TVS-диодов и отмечены их основные параметры.

Основные параметры двунаправленных TVS-диодов
Рис. 3. Основные параметры двунаправленных TVS-диодов

Выделяют следующие ключевые параметры:

  • Постоянное обратное напряжение Uобр (VRWM) - максимальное рабочее напряжение. Пока напряжение, падающее на устройстве, не превышает Uобр, устройство находится в непроводящем состоянии и функционирует как высокоимпедансный конденсатор. Иногда Uобр также называют напряжением отключения.
  • Обратное напряжение пробоя Uпроб (VBR) — это точка, в которой начинается лавинный пробой, и сопротивление устройства становится низким. Напряжение пробоя обычно измеряется на токе 1,0 мА.
  • Максимальное напряжение ограничения Uогр (Maximum Clamping Voltage, VC) — это максимальное напряжение, падающее на супрессоре при максимальном пиковом токе.
  • Обратный постоянный ток (ток утечки) Iобр (IR) — это ток, измеренный при обратном рабочем напряжении.
  • Тестовый ток IТ — это ток, измеряемый в точке Uпроб.
  • Пиковый импульсный ток Iпик (IPP) — это максимальный импульсный ток для данного устройства.

Спецификации трансиверов

Существует несколько технических характеристик CAN-трансиверов, которые должны быть учтены в процессе выбора подходящего TVS-диода. Наиболее значимыми являются следующие:

  • максимальное напряжение питания;
  • синфазное напряжение;
  • максимальная скорость передачи;
  • устойчивость к статическим разрядам;
  • устойчивость к электромагнитным импульсам:
    • устойчивость к парным электрическим помехам на линиях данных:
      • устойчивость к неповторяющимся выбросам;
      • устойчивость к повторяющимся выбросам/быстрым переходным процессам.

В таблице 1 приведен краткий список требований к характеристикам CAN-трансиверов. Стандарт для физического уровня ISO 11898−2 является базовым для большинства CAN-систем.

Требования к трансиверам высокоскоростных сетей Honeywell Smart Distribution Systems (SDS) и Rockwell (Allen−Bradley) DeviceNetE подобны требованиям ISO 11898−2, однако они содержат незначительные модификации, необходимые при работе в промышленной среде.

Таблица 1. Требования к трансиверам для высокоскоростных CAN-сетей

Параметр

ISO 11898-2

Физический уровень SDS Спецификация 2.0

DeviceNet

Минимальное/максимальное напряжение на шине (для систем 12 В)

-3,0 В/16 В

11 В/25 В

Как в ISO 11898-2

Синфазное напряжение на шине

CAN_L: -2,0 В мин.; 2,5 В ном. CAN_H: 2,5 В ном.; 7,0 В макс.

Как в ISO 11898-2

Как в ISO 11898-2

Скорость передачи

1 Мбит/с @ 40м; 125 кбит/с @ 500м

Как в ISO 11898-2

500 Кбит/с @ 100 м; 125 Кбит/с @ 500 м

ESD

Не определено, рекомендовано ≥ ±8,0 кВ (контакт)

Не определено, рекомендовано ≥ ±8,0 кВ (контакт)

Не определено, рекомендовано ≥ ±8,0 кВ (контакт)

Устойчивость к электромагнитным импульсам

ISO 7637-3, импульсы “a” и “b”

IEC 61000-4-4 EFT

Как в ISO 11898-2

Популярные области применения

Легкое и тяжелое автомобилестроение, медицинские и морские системы

Промышленные системы управления

Промышленные системы управления

Максимальное напряжение питания

Постоянное обратное напряжение и напряжение пробоя TVS-диода должны быть больше чем максимальное напряжение питания системы, так как трансивер должен быть устойчив к короткому замыканию между линиями питания от аккумулятора и сигнальными линиями CAN. Кроме того, для отдельных приложений характерны особые значения кратковременного максимального напряжения питания. Например, некоторые автомобильные системы, работающие от напряжения 12 В, имеют возможность запуска от аккумулятора с напряжением 24 В.

Минимальные Uобр и Uпроб для NUP2105L составляют 24 и 26,2 В соответственно, а номинальное Uпроб, измеренное на импульсах тока 1,0 мА длительностью 1,0 мс, равно 27 В. Устройства защиты от переходных напряжений, созданные по технологии Зенера, имеют крутые характеристики напряжения пробоя с острым перегибом и предельно малый ток утечки. Крутой перегиб характеристик супрессоров NUP2105L обеспечивает предсказуемую работу устройства независимо от возможных отклонений системы. На рисунке 4 приведены графики зависимостей IT от Uпроб для NUP2105L в температурном диапазоне −55…150°C.

Зависимость IT от Uпроб для NUP2105L
Рис. 4. Зависимость IT от Uпроб для NUP2105L

Синфазное напряжение

Потенциал напряжений относительно опорного заземления в передающих и принимающих узлах может значительно различаться, поэтому должны быть определены допустимые пределы синфазного напряжения. Приемопередатчики CAN должны работать с напряжением сигнальной линии, смещенным на 2,0 В выше или ниже номинального уровня напряжения сигнальных линий CAN_H и CAN_L.

Решением проблемы синфазного напряжения является использование двунаправленных TVS-устройств, которые не будут срабатывать, если напряжение на сигнальных линиях смещено.

Максимальная скорость передачи

Скорость передачи данных CAN определяется максимальной емкостью TVS-устройств. Большая емкость линий данных вызывает искажение формы сигналов. Для того чтобы минимизировать искажения, необходимо использовать TVS-устройства, обладающие малой емкостью. Рекомендуемые значения емкости цепей защиты, измеренной между каждой сигнальной линией и заземлением – менее 35 пФ для скорости 1,0 Мбит/с и 100 пФ для скорости 125 кбит/с.

На рисунке 6 показана зависимость емкости NUP2105L от обратного напряжения смещения. Емкость между сигнальными линиями и заземлением измерялась при различной постоянной составляющей сигнала с частотой 1,0 МГц и амплитудой 60 мВ. Максимальная емкость, указанная в спецификации диода, измерена при напряжении смещения 0 В. Как правило, использование среднего напряжения на линиях данных дает более точную оценку емкостной нагрузки. Среднее постоянное напряжение высокоскоростных и отказоустойчивых CAN-трансиверов может быть принято равным напряжению в рецессивном состоянии, составляющему 2,5 В. Типичная емкость NUP2105L при напряжении 2,5 В приблизительно равна 19 пФ.

Зависимости тока утечки от обратного напряжения смещения

Рис. 5. Зависимости тока утечки от обратного напряжения смещения

Зависимости емкости от обратного напряжения смещения
Рис. 6. Зависимости емкости от обратного напряжения смещения

Испытание CAN на устойчивость к электромагнитным импульсам

Электромагнитная совместимость становится основной проблемой при разработке сетевых устройств. Перед разработчиками стоит задача внедрить защиту от электромагнитных помех, не увеличивая стоимость и размеры устройства.

Модули CAN должны соответствовать строгим стандартам электромагнитной совместимости, обладать устойчивостью ко внешним помехам и не создавать помех соседним устройствам.

Сети CAN должны иметь хорошую помехоустойчивость, потому что линии данных – это и главный источник, и входная точка кондуктивных и наведенных электромагнитных и электростатических помех.

Источник: https://pdfs.engineeringwhitepapers.com/Avnet  

Производитель: On Semiconductor
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
NUP2105LT1G
NUP2105LT1G
On Semiconductor
Арт.: 188898 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Transient Voltage Suppressor (TVS) Diode; Reverse Stand-Off Voltage, VRWM:22V; Breakdown Voltage Max:32V; Breakdown Voltage Min:26.2V; Clamping Voltage Max, Vc:40V; Package/Case:3-SOT-23; No. of Pins:3; Breakdown Voltage, Vbr:32V
NUP2105LT1G
-
Поиск
предложений
SZNUP2105LT1G
SZNUP2105LT1G
On Semiconductor
Арт.: 1035846 ИНФО PDF
Поиск
предложений
ESD Suppressors / TVS Diodes SOT-23 27 CAN BUS
SZNUP2105LT1G
-
Поиск
предложений
SZNUP2105LT3G
SZNUP2105LT3G
On Semiconductor
Арт.: 1035847 ИНФО PDF
Поиск
предложений
ESD Suppressors / TVS Diodes SOT-23 27 CAN BUS
SZNUP2105LT3G
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()