TVS 二極體保護設計可提升 CAN 匯流排可靠性

控制器區域網路 (CAN) 匯流排是一種相當受歡迎的匯流排標準，可供汽車等相關應用使用，並具有高度的內建機制，來提供過電壓及過電流保護。但是，高級車輛電子元件網路具有多達 70 個電子控制單元 (ECU)，設計人員越來越需要避免閃電及靜電放電 (ESD) 等電氣暫態所造成的損害。這種敏感度會增加故障的風險，並可能破壞車輛的可靠性。

雖然市面上有許多款暫態電壓抑制 (TVS) 元件，但汽車應用通常會受到成本、重量及可靠性等各種規格上的限制。而這些限制會淘汰許多較大且較為複雜的 TVS 元件。不過最近，製造商推出汽車級平價 TVS 二極體，可提供經濟實惠、小巧且高度可靠的電路保護選項。而且與某些替代方案不同，TVS 二極體可提升 CAN 收發器的抗雜訊能力，並且對高頻率通訊訊號完整性的影響可予以忽略。

本文將介紹 TVS 二極體如何為高靈敏度的 CAN 匯流排應用，提供經濟實惠且高水準的保護措施。本文將解釋為何除了要謹慎選擇汽車級元件外，還要謹慎考慮峰值電壓、峰值電流、電容量、漏電流及箝位電壓，才能為高靈敏度的 ECU 與 CAN 收發器提供完整的保護。然後，本文將介紹由 Texas Instruments、ON Semiconductor、Bourns 及 Semtech 推出的相關 TVS 解決方案，並解釋如何正確地應用這些元件。

CAN 簡介

CAN 的誕生是為了能在汽車當中加入更多電子元件，卻又不會大幅增加電線線束複雜度與重量。CAN 標準定義了可支援多個實體層 (PHY) 的可靠點對點網路，但最常見的 PHY 為高速版本 (採用雙線實現，支援高達 1 Mbit/s 的原始數據傳輸率)。該網路允許在多個 CAN 元件 (如 ECU) 之間進行通訊。互相連接的 ECU 只需要一個 CAN 介面 (而非多個類比及數位 I/O)，就可以連接到網路中的其他元件，因此無需進行複雜且成本高昂的佈線作業。

在典型的 CAN 匯流排差動 (CAN H/CAN L) 方案中，收發器在序列匯流排上進行通訊。在匯流排上，節點間的訊號傳輸採用的是標稱特性阻抗為 120 Ω 的雙絞線。分接式拓撲常用來改善抗電磁干擾 (EMI) 的能力 (圖 1)。

圖 1：CAN 匯流排採用差動通訊方案，能讓收發器通過序列匯流排進行可靠的通訊。(圖片來源：Bourns)

雖然 CAN ECU 與收發器本質上是由相當脆弱的矽晶片構成，但還是期望這些元件可以耐受嚴苛的工作條件。例如，大部份的汽車製造商會要求產品通過 AEC-Q100 認證，AEC-Q100 是適用於車輛電子元件的故障機制型應力測試。另外，主要車廠還會要求產品符合最新的國際標準 (ISO 7637 與 IEC 61000-4-5)。這些標準規定了測試的電氣暫態，旨在模擬汽車在工作期間因導通及耦合造成的電氣干擾。

有些晶片供應商的產品能夠滿足這些規範。例如，Texas Instruments 的 SN65HVD1050DRG4 CAN 收發器具有跨線保護、過電壓保護和接地線失效保護 (-27 V 至 40 V)，以及過熱關斷功能。此外，該晶片還可耐受 ISO 7637 中定義的 -200 V 至 200 V 暫態規格。

成本是高規格元件的不利因素之一，也是汽車設計中一項關鍵的考量因素。其次，雖然硬化元件可能足以耐受電氣暫態一段時間，但一再承受電氣暫態還是會有損壞的風險。第三，閃電與 ESD 會讓汽車的電子元件暴露在高電壓與高電流之下，超出某些標準所要求的規格值。對於致力提供更高可靠度的車廠來說，採取額外的保護措施是值得的，例如將電氣暫態轉移至地面，使其遠離靈敏的矽晶片。

使用二極體抑制暫態電壓

目前已有幾種可靠的技術能實現電氣暫態保護。這些技術大致可分為以下三類：阻斷、抑制或隔離。簡單來說，阻斷方式使用保險絲及斷路器；抑制方式採用 TVS 二極體與金氧變阻器 (MOV) 等 TVS 元件；而隔離方式則須採用光耦合器與變壓器等隔離元件。

阻斷相當有效，而且成本較低。這項做法的缺點是：當元件啟動後，需要更換或重置元件。這對汽車應用來說很不方便。隔離元件則完全相反，雖然非常有效，不必進行更換或重置，但元件體積大、複雜，而且價格高昂。TVS 元件則介於兩者之間，一般來說相當有效，而且體積小巧、價位適中。

TVS 元件有多種類型，包括 TVS 二極體 (及 TVS 二極體陣列)、MOV 以及自主研發的暫態電流抑制元件。雖然 TVS 二極體並不是效能最高的 TVS 元件，但價格低廉而且耐用 (特別是與滿足 AEC-Q100 及 ISO 7637 標準的 CAN 節點搭配使用時)，對於空間與成本受限的汽車應用而言，是首選的電路保護裝置。

TVS 二極體是一種 p-n 元件，專門設計較大的接面截面積，可吸收高電氣暫態電流。雖然 TVS 二極體的電壓／電流特性跟齊納二極體很類似，但主要是用來抑制電壓，而不是調節電壓。相較於其他的抑制元件，TVS 二極體的關鍵優勢之一是能迅速響應電氣暫態 (通常在奈秒之內) — 這將暫態的能量安全地轉移到地面，同時維持恆定的箝位電壓。

從理論上來看，其保護機制非常簡單。在正常的工作條件下，TVS 二極體對受保護電路呈現高阻抗，但在超出受保護電路的安全工作電壓時，TVS 二極體會在突崩模式下工作，為暫態電流提供接地的低阻抗路徑。受保護電路承受的最大電壓通常適中，不會高於二極體的箝位電壓。在電氣暫態電流消退後，TVS 元件返回高阻抗狀態 (圖 2)。

圖 2：TVS 二極體為電氣暫態提供接地路徑，同時將電壓箝制在安全水平，進而保護電路。(圖片來源：Semtech)

實際上，CAN 應用的保護電路更為複雜，這是因為網路不只提供電力，還會透過差動訊號發送資料。

為 CAN 應用選擇 TVS 二極體

TVS 二極體有兩種類型：單向和雙向。雖然每種類型都能為正負突波提供保護，但關鍵的差異在於崩潰電壓 (在該電壓下，元件開始在突崩模式下工作，並因此呈現為低阻抗)。雙向元件可在兩個方向提供相同的崩潰電壓，而單向元件在負暫態電壓尖波下提供的崩潰電壓則低很多 (等於二極體的順向偏壓)。

雖然單向與雙向元件都可用於同一個應用當中，但在某些應用中，由於每種元件的崩潰電壓特性不同，因此各有不同的優勢。例如，如果 CAN 收發器為數位邏輯 IC 提供訊號，則單向 TVS 二極體對負突波的低崩潰電壓，就能夠提供絕佳的保護。

雙向 TVS 元件的主要優點之一是能夠解決共模偏壓的問題。這是因為 CAN 收發器必須要能以訊號線電壓工作，而此電壓相對標稱電壓的偏移量可達 2.0 V。由於雙向 TVS 元件在正、負方向都具有相當大的箝位電壓，因此不會因為訊號線路偏移而受到箝制。此外，雙向 TVS 二極體可以直接替代固有的雙向 MOV。

CAN 匯流排的保護拓撲有多種替代結構。最簡單的拓樸是使用由兩個雙向二極體構成的 TVS 二極體結構：一個橫跨 CAN_H (或 DATA_H) 線路與地線，另一個則橫跨 CAN_L (或 DATA_L) 線路與地線。另一種結構是將雙向 TVS 二極體換成單向元件 (圖 3)。

圖 3：視應用而定，可以使用雙向 (左) 或單向 (右) TVS 二極體。製造商提供的解決方案，通常會將兩個二極體整合於一個封裝中。(圖片來源：ON Semiconductor)

每條 CAN 數據線可使用單個的 TVS 二極體進行保護，但許多製造商會將兩個二極體內建於一個封裝中。例如，ON Semiconductor 的 NUP2105LT1G TVS 二極體，可在一個小巧的 SOT-23 封裝中，為每條 CAN 數據線路提供雙向保護。此元件能夠處理 350 W 的峰值功率耗散。NUP1105LT1G 則是等效的單向元件。

一旦設計人員選定某個拓撲，電路的效能便取決於，是否謹慎選擇操作特性符合應用需求的 TVS 二極體。

雙向 TVS 二極體的關鍵元件參數包括：

• 逆向工作電壓 (V_RWM)，即最大的 DC 工作電壓。在此電壓下，二極體處於非導通狀態，其作用類似於高阻抗電容。
• 逆向崩潰電壓 (V_BR)，即元件在突崩模式下導通並變為低阻抗的點 (通常在 1 mA 下測得)。
• 峰值脈衝電流 (I_PP)，即為元件指定的最大突波電流。
• 最大箝位電壓 (V_C)，即在 I_PP 下二極體兩端的最大壓降。
• 逆向漏電流 (I_R)，即在 V_RWM 下測得的電流。
• 測試電流 (I_T)，即在 V_BR 下的電流 (圖 4)。

圖 4：雙向 TVS 二極體的電壓／電流特性，這裡顯示關鍵的元件參數。(圖片來源：ON Semiconductor)

CAN 規範詳細規定重要的收發器特性，而這又決定用於電氣暫態保護的 TVS 二極體特性。關鍵的參數包括：

• -3.0/16 V 最小／最大匯流排電壓 (12 V 系統)
• -2.0/2.5 V 最小／標稱 CAN_L 共模匯流排電壓
• 2.5/7.0 V 標稱／最大 CAN_H 共模匯流排電壓
• 建議值 ≥ ±8.0 kV (觸點) ESD
• ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 突波電流脈衝耐受性

開發人員應首先考慮的參數是 V_RWM 及 V_BR。這些參數值應該足夠大，確保 TVS 二極體在正常工作期間能夠表現為高阻抗，但又不會高到元件在 CAN 收發器暴露於危險的高電壓後才開始導通。請注意，雖然汽車電子系統通常採用 12 V 的電池供電，但大多數系統都設計為在緊急情況下，快速跳至 24 V 電源啟動。在選擇 TVS 二極體時，應將這點納入考量。

例如在 1 mA 下，ON Semiconductor 的 NU2105L 便具有 24 V 的 V_RWM 和 26.2 V 的 V_BR。Bourns 的 CDSOT23-T24CAN CAN 匯流排保護器則是具有相同規格且採用 SOT-23 封裝的雙向 TVS 二極體。

接下來，開發人員應檢查 TVS 二極體的最大電容量。大電容會破壞訊號的完整性。數據傳輸率越快，電容應該越低。根據經驗法則，在 125 kbit/s 數據傳輸率下，訊號線路與地線間的最大電容應為 100 pF，而在 1 Mbit/s 下應為 35 pF。請注意，有些規格書會顯示在 0 V 下的電容，而有些規格書則顯示在 CAN 收發器平均電壓 (即 2.5 V) 下的電容。此外，兩個差動訊號的電容應匹配，以維持放大器輸出訊號中脈衝寬度的完整性。

例如，在 0 V 及 1 Mbit/s 下，Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 在訊號線及地線間的電容為 22 pF。Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT 則是一款 SOT-23 封裝，內置兩個雙向 TVS 二極體，專門針對 CAN 匯流排抗突波能力而設計，其在訊號線及地線間的電容為 15 pF (在 0 V 及 1 Mbit/s 下)。

此外，選擇具有低逆向漏電流 (I_R) 的元件，將系統效率發揮至最大，也是合理的作法。請注意，I_R 會隨著溫度上升而增加，因此在選擇元件時，應將工作環境納入考量。例如，NUP2105L 在 25°C 下的 I_R 為 0.1 µA，而 UCLAMP2492SQTCT 元件在 25°C 下的 I_R 為 0.2 µA，在 125°C 下則為 0.35 µA。

最後，開發人員應確保 TVS 二極體能夠在無損壞的情況下耗散非重複性電氣暫態突波的能量，且電氣暫態峰值電流下的箝位電壓不會使 CAN 收發器受損。

IEC 的 IEC 61000-4-5 標準規定抗突波能力的測試方法，並詳細描述用來確定 TVS 二極體能力的典型突波波形。該波形會在 8 µs 內達到峰值的 90%，並在 20 µs 內衰減到峰值的 50%。規格書通常會將此波形稱為「8/20 µs 波形」(圖 5)。

圖 5：IEC 61000-4-5 中規定的波形參數 (「8/20 µs」) 的範例，該參數用來測試 TVS 二極體的抗突波能力。(圖片來源：Bourns)

Bourns 的 CDSOT23-T24CAN TVS 二極體對 11 A、8/20 µs 波形的響應如圖 6 所示。製造商指出 5 A 突波的最大箝位電壓為 36 V，而 8 A 突波則為 40 V。ON Semiconductor 的 NUP2105L 在同等條件下的數據則為 40 V 與 44 V，峰值功率耗散為 350 W；至於 Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT，在 5 A 下則為 44 V。

圖 6：Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 對 11 A、8/20 µs 波形的響應。請注意，該 TVS 二極體封裝能快速響應突波電流暫態及 36.4 V 的箝位電壓峰值。(圖片來源：Bourns)

開發人員選定適合任務的 TVS 二極體後，應謹慎考量如何進行最佳的 PC 板佈局，以取得最佳的效能。最重要的考量原則是：一旦過電壓觸發可能會造成損壞的突波，TVS 二極體會將該突波從 CAN 收發器處導離，並安全地耗散至接地面。

例如，Bourns 建議 SOT-23 元件應儘可能放在靠近匯流排連接器的地方，且連接至訊號線的走線要盡量短。該公司建議，標準的 10 mil、1 oz 銅線足以處理來自典型電氣暫態的峰值電流量。元件的接地引腳應使用短走線及過孔連接到 PCB 接地面。最後，若靠近 TVS 二極體的訊號端有接地面，則元件應直接連接到接地面 (圖 7)。

圖 7：Bourns CDSOT23-T24CAN 的 PC 板建議佈局。容納 TVS 二極體的 SOT-23 應儘可能放在靠近 CAN 匯流排連接器的地方。(圖片來源：Bourns)

結論

成本、空間及重量因素，限制了用來保護 CAN 匯流排元件免受極端事件 (如閃電與 ESD) 影響的解決方案範圍。不過，TVS 二極體可在這些限制條件及保護效能之間達到可接受的平衡。成功實施的關鍵在於：謹慎比對 TVS 二極體的電氣特性與應用，既要確保實現保護功能，又要保證 CAN 匯流排的正常運作不受影響。

最近推出的小型 (SOT-23) 解決方案專為 CAN 汽車應用而設計，且內建單向或雙向 TVS 元件，不僅簡化了元件的選擇，還簡化了設計的複雜度與空間需求。

參考資料

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