【技术分享】CAN总线接口保护电路设计指南

原创 ZLG致远电子 2023-06-13 11:34

CAN总线的应用范围广，应用环境相当复杂，一些静电、浪涌等干扰很容易耦合到总线上，并直接作用于CAN总线接口。为了满足一些高等级EMC的要求，有必要添加额外的外围保护电路。

为什么需要保护电路

一般的CAN收发器芯片ESD、浪涌防护等级较低，如SM1500隔离CAN收发器虽隔离耐压为3500VDC，裸机情况下，CAN接口ESD可达6kV，但无法满足常见的浪涌测试要求。工业产品对通信接口的EMC等级要求较高，许多应用要求满足IEC61000-4-2静电放电4级，IEC61000-4-5 浪涌抗扰4级等要求，在此情况下，必需增加必要的保护电路，才能满足要求。

接口保护及工作原理

1. 推荐电路

图1为CAN接口推荐保护电路，合理的保护可以极大提升接口的抗干扰能力。总线接口保护分三级，一级实现大能量泄放、二级进行电流限制、三级进行电压钳位。各级电路各司其职，共同作用达到最佳的保护效果。

图1 CAN接口推荐保护电路

2. 工作原理——差模回路

如图2，当有差模干扰电压施加在接口1，2脚时， TVS1响应最快，首先导通，芯片总线引脚CANH、CANL之间的电压被钳位。R2、R3电阻限制流过TVS1的电流，防止其过功率损坏。GDT响应最慢，最后导通，泄放掉大部分能量，并将残压限制在较低水平。

图2 差模泄放回路示意

3. 工作原理——共模回路

如图3，为保证良好的保护效果，通信参考地CANG应在组网后单点接地。当有共模干扰电压施加在接口1，2脚时，TVS1响应最快，首先导通，芯片总线引脚与CANG之间的电压被钳位。R2、R3电阻限制流过TVS1的电流，防止其过功率损坏。GDT响应最慢，最后导通，泄放掉大部分能量，并将残压限制在较低水平。

图3 共模泄放回路示意

应用注意事项

1. 保护电路要可靠接地

共模干扰需以大地（或保护地）作为泄放回路，保护电路必须可靠接地，否则共模保护部分没有返回路径，保护电路失效，可能造成前级芯片或电路损坏，如图4。

图4 未接地共模电流路径

2.尽可能减小引入的电容

CAN总线对总线电容要求极高，应尽可能降低保护电路自身的等效电容。按图1推荐的电路结构进行设计，保护电路的总差分电容可控制在10pF左右，在提供足够保护的同时，基本避免了对CAN总线通信造成的影响。

设计实例

1. 设计一个满足IEC61000-4-5 Class4的保护电路

依据标准，Class4适用于通信互连线在户外布置的应用场合。

该等级浪涌测试开路电压4kV，短路电流高达100A。由于CAN线缆为对称通信线，仅需进行线-地（共模）测试。

气体放电管：通流量可选择500A，开启电压90V，封装1206。若空间充足，可选择通流量更大的器件，以达到更好的保护效果。
限流电阻：电阻不宜过大，否则会导致信号幅值过低。一般选择10欧以内，如4.7欧。若TVS管导通电压为12V，则流过电阻峰值电流约为（90-12）/4.7=16.5A。应选择可通过峰值电流16.5A的大电流电阻，如绕组电阻、PTC等，切勿选择普通的金属膜、碳膜电阻！
TVS管：导通电压应高于信号幅值，并低于引脚最大直流耐压，如12V。峰值电流则应大于2*16.5=33A，如P6KE12CA。
二极管：反向耐压大于TVS最大导通电压，峰值电流大于16.5A，如1N4007。

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