Beveiliging met TVS-diodes verbetert de betrouwbaarheid van de CAN-bus

De Controller Area Network (CAN) bus, een populaire busstandaard voor automotive en andere toepassingen, beschikt over een hoog niveau van ingebouwde immuniteit voor overspanning en overstroom. Maar met tot 70 elektronische besturingseenheden (ECU's) op het elektronische netwerk van premium voertuigen, maken ontwerpers zich steeds grotere zorgen over het voorkomen van schade door elektrische overspanningen, bijvoorbeeld in geval bliksem of elektrostatische ontlading (ESD). Een dergelijke gevoeligheid vergroot de kans op storingen en dreigt de betrouwbaarheid van het voertuig te ondermijnen.

Alhoewel er verschillende TVS-apparaten (TVS staat voor Transient Voltage Suppression, oftewel onderdrukking van stootspanning) bestaan, hebben automotive-toepassingen doorgaans te maken met strenge beperkingen voor wat de kosten, het gewicht en de betrouwbaarheid betreft. Door deze beperkingen komen veel van de grotere, meer complexe TVS-apparaten niet in aanmerking. Maar recentelijk hebben fabrikanten versies van de bescheiden TVS-diode geïntroduceerd die geschikt zijn voor automotive-toepassingen en die een goedkope, compacte en zeer betrouwbare optie voor circuitbeveiliging bieden. Bovendien verhogen TVS-diodes, in tegenstellingen tot sommige alternatieve producten, de immuniteit voor ruis van CAN-transceivers en hebben ze een verwaarloosbare impact op de signaalintegriteit bij communicatie op hoge frequenties.

Dit artikel beschrijft hoe TVS-diodes een hoog niveau van (goedkope) beveiliging kunnen bieden voor gevoelige CAN-busimplementaties. In dit artikel wordt uitgelegd waarom het niet alleen belangrijk is om een product te kiezen dat geschikt is voor automotive-toepassingen, maar ook om rekening te houden met factoren als piekspanning en -stroom, capaciteit, lekstroom en klemspanning, om gevoelige ECU's en CAN-transceivers afdoende te beschermen. Vervolgens worden geschikte TVS-oplossingen van Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns en Semtech gepresenteerd en wordt uitgelegd hoe deze op de juiste manier moeten worden toegepast.

Een inleiding op CAN

CAN werd geboren uit de behoefte om meer elektronica aan voertuigen toe te voegen zonder de complexiteit en het gewicht van de kabelboom vergroten. De CAN-standaard specificeert een degelijk peer-to-peernetwerk dat verschillende fysieke lagen (PHY) ondersteunt, maar de meest voorkomende PHY is de hoge-snelheidversie (een tweedraads implementatie die onbewerkte datasnelheden tot 1 megabit per seconde (Mbit/s) mogelijk maakt. Het netwerk maakt communicatie tussen meerdere CAN-apparaten, zoals ECU's, mogelijk. Aangesloten ECU's hebben genoeg aan een enkele CAN-interface (in plaats van meerdere analoge en digitale in- en uitgangen) om verbinding te maken met alle andere apparaten op het netwerk, waardoor complexe en dure bedrading overbodig wordt.

Een typisch differentieel schema van een CAN bus (CAN H/CAN L) bevat transceivers die over een seriële bus communiceren. Er wordt een twisted-pair kabel met een nominale karakteristieke impedantie van 120 Ohm (Ω) gebruikt om het signaal tussen de knopen ('nodes') op de bus te versturen. Er wordt vaak een topografie met gesplitste afsluiting gebruikt om de immuniteit voor elektromagnetische interferentie (EMI) te verbeteren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: CAN-bus gebruikt een differentieel communicatieschema dat transceivers in staat stelt om op betrouwbare wijze te communiceren via een seriële bus. (Bron afbeelding: Bourns)

Hoewel CAN-ECU's en transceivers gebaseerd zijn op kwetsbaar silicium, wordt wel verwacht dat ze bestand zijn tegen zware bedrijfsomstandigheden. De meeste autofabrikanten vereisen bijvoorbeeld een kwalificatie volgens AEC-Q100, een stresstest voor faalmechanismen voor voertuigelektronica. Grote autofabrikanten vereisen ook naleving van recente internationale normen (ISO 7637 en IEC 61000-4-5). Deze normen schrijven tests op elektrische transiënten voor. Dergelijke tests zijn ontworpen om elektrische storingen door geleiding en koppeling tijdens de werking van het voertuig te simuleren.

Het aanbod van sommige leveranciers van chips voldoet aan deze specificaties. De CAN-transceiver SN65HVD1050DRG4 van Texas Instruments biedt bijvoorbeeld beveiliging tegen kruisende draden, overspanning en verlies van aarding van –27 Volt tot 40 Volt en een functie voor uitschakeling bij te hoge temperaturen. De chip is ook bestand tegen de transiënten van -200 Volt tot 200 Volt die in ISO 7637 zijn gedefinieerd.

Een nadeel van een apparaat met hoge specificaties is het kostenplaatje, wat altijd een kritische overweging is bij het ontwerpen van auto's. Een tweede punt is dat een versterkt apparaat mogelijk in staat is om elektrische overspanningen te weerstaan gedurende een bepaalde tijd, maar bij herhaaldelijke blootstelling schade riskeert. Ten derde kunnen blikseminslag en ESD de elektronica van auto's blootstellen aan spanningen en stroomwaarden die hoger zijn dan wat voor de overeenstemming met bepaalde normen wordt gevraagd. Extra bescherming, waarbij elektrische transiënten worden afgevoerd naar de aarde en dus weg van gevoelig silicium, loont de moeite voor autofabrikanten die naar een hogere betrouwbaarheid streven.

Overspanningsbeveiliging met behulp van diodes

Er bestaan meerdere beproefde technieken voor het implementeren van bescherming tegen elektrische transiënten Deze kunnen grofweg worden ingedeeld in drie categorieën: blokkeren, onderdrukken of isoleren. In eenvoudige bewoordingen: voor blokkering wordt gebruik gemaakt van zekeringen en stroomonderbrekers, voor onderdrukking van TVS-apparaten zoals TVS-diodes en metaaloxidevaristors (MOV's), terwijl isolatie wordt bewerkstelligd door isolerende apparaten, zoals optische koppelingen en transformators, te gebruiken.

Blokkering is effectief en goedkoop. Het nadeel is dat de apparaten, nadat ze zijn geactiveerd, moeten worden vervangen of opnieuw moeten worden ingesteld, iets wat absoluut niet handig is in automotive-toepassingen. Isolerende apparaten daarentegen zijn voor honderd procent effectief en hoeven niet te worden vervangen of gereset, maar hebben als nadeel dat ze groot, complex en duur zijn. TVS-apparaten vormen de middenweg tussen deze twee uitersten. Ze zijn over het algemeen effectief, compact en vallen qua prijs in de middencategorie.

Er bestaan diverse soorten TVS-apparaten waaronder TVS-diodes (en TVS-diode-arrays), MOV's en propriëtaire systemen voor onderdrukking van voorbijgaande stroompieken. TVS-diodes zijn weliswaar niet de TVS-apparaten die de hoogste prestaties leveren, maar ze zijn niet duur en bovendien onverwoestbaar (vooral wanneer ze worden gecombineerd met CAN-nodes die aan de normen AEC-Q100 en ISO 7637 voldoen), waardoor ze een goede keuze zijn voor circuitbescherming in ruimtevaart-toepassingen en automotive-toepassingen met beperkt budget.

Een TVS-diode is een p-n apparaat dat specifiek is ontworpen met een grote junctie-dwarsdoorsnede, om hoge transiënte elektrische stromen te kunnen absorberen. Alhoewel de spannings-/stroomkarakteristieken van een TVS-diode sterk lijken op die van een zenerdiode, zijn deze apparaten eerder ontworpen voor spanningsonderdrukking dan voor spanningsregeling. Een belangrijk voordeel van TVS-diodes is de snelle respons (meestal binnen nanoseconden) op elektrische transiënten —waarbij de energie van de transiënt veilig naar de aarde wordt afgeleid terwijl een constante klemspanning wordt behouden—vergeleken met andere onderdrukkingssystemen.

In theorie werkt het beschermingsmechanisme recht-toe recht-aan. Onder normale bedrijfsomstandigheden presenteert de TVS-diode een hoge impedantie aan het beveiligde circuit, maar wanneer de veilige bedrijfsspanning van het beschermde circuit wordt overschreden, werkt de TVS-diode in een lawine-modus die een pad met lage impedantie naar aarde verstrekt om de transiënte stroom weg te leiden. De maximale spanning waaraan het beschermde circuit wordt blootgesteld is gewoonlijk bescheiden en beperkt tot de klemspanning van de diode. De TVS-diode keert na het afnemen van de stroomstoot weer terug naar een toestand met hoge impedantie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: TVS-diodes beschermen circuits door een pad naar de aarde te bieden voor elektrische transiënten terwijl de spanningen op veilige niveaus worden geklemd. (Bron afbeelding: Semtech)

In de praktijk zijn de beveiligingscircuits voor CAN-implementaties complexer omdat het netwerk niet alleen stroom levert maar ook dient voor de overdracht van data, die via een differentieel signaalschema worden getransporteerd.

Het kiezen van TVS-diodes voor CAN-toepassingen

Er bestaan twee soorten TVS-diodes: unidirectioneel en bidirectioneel. Beiden soorten bieden bescherming tegen zowel positieve als negatieve pieken, het belangrijkste verschil is de doorslagspanning (de spanning waarbij het apparaat in lawine-modus begint te geleiden en dus een lage impedantie vertoont). De bidirectionele diode biedt in beide richtingen dezelfde doorslagspanning, terwijl de unidirectionele versie een veel lagere doorslagspanning heeft voltage (gelijk aan de voorwaartse voormagnetiseringsspanning van de diode) voor voorbijgaande negatieve spanningspieken.

Alhoewel unidirectionele en bidirectionele diodes voor dezelfde toepassing kunnen worden gebruikt, bestaan er enkele toepassingen waar de verschillende doorslagspanningskarakteristieken van de beide types specifieke voordelen opleveren. Als de CAN-transceiver bijvoorbeeld een digitale logische IC bedient, biedt de lage doorslagspanning van unidirectionele TVS-diodes bij negatieve pieken een betere bescherming.

Eén van de voornaamste voordelen van bidirectionele TVS-diodes is dat ze het probleem met common-mode spanningsafwijkingen oplossen. Dit gebeurt omdat CAN-transceivers moeten kunnen functioneren met een signaallijnspanning die maximaal 2,0 Volt kan afwijken van het nominale spanningsniveau. Aangezien bidirectionele TVS-diodes een grote klemspanning in positieve en negatieve richtingen leveren, zullen ze door de invloed van een afwijking van de signaallijn niet klemmen. Bovendien kunnen bidirectionele TVS-diodes worden gebruikt als drop-in vervanging voor inherent bidirectionele MOV's.

Er bestaan verschillende alternatieve topologieën voor CAN-bus beveiliging. De eenvoudigste gebruikt een configuratie van TVS-diodes met twee bidirectionele diodes, één over de CAN_H (of DATA_H) lijn en massa en de andere over de CAN_L (of DATA_L) lijn en massa. De alternatieve configuratie verwisselt de bidirectionele TVS-diodes voor unidirectionele apparaten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: afhankelijk van de toepassing kunnen ofwel bidirectionele (links) of unidirectionele (rechts) TVS-diodes worden gebruikt. Fabrikanten bieden vaak oplossingen aan die de twee diodes in een enkel pakket integreren. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Het is mogelijk om afzonderlijke TVS-diodes te gebruiken om elk van de CAN-datalijnen te beschermen, maar veel fabrikanten bieden pakketten aan die beide diodes in een enkel pakket integreren. ON Semiconductor biedt bijvoorbeeld de NUP2105LT1G TVS-diode die bidirectionele bescherming geeft aan elk van de CAN-datalijnen met een enkel, compact SOT−23 pakket. Het apparaat kan een piekvermogensdissipatie van 350 Watt aan. De NUP1105LT1G is de unidirectionele equivalent.

Nadat een ontwerper een topologie heeft vastgelegd, wordt de prestatie van het circuit bepaald door zorgvuldig een TVS-diode te kiezen met werkingskarakteristieken die exact op de behoeften van de toepassing zijn afgestemd.

De voornaamste apparaatparameters van bidirectionele TVS-diodes zijn onder meer:

• Sperspanning voor bedrijf (V_RWM) - dit is de maximale DC-bedrijfsspanning. Bij deze spanning is de diode in een niet-geleidende toestand en werkt hij als een condensator met hoge impedantie.
• Sperspanning doorslag (V_BR) – dit is het punt (meestal gemeten bij 1 Milliampère (mA)) waar het apparaat in lawine-modus geleidt en overschakelt naar lage impedantie.
• Piekpulsstroom (I_PP) - dit is de maximale piekstroom die voor het apparaat is gespecificeerd.
• Maximale klemspanning (V_C) - dit is de maximale spanningsval over de diode bij I_PP.
• Sper-lekstroom (I_R) – dit is de stroom gemeten op V_RWM.
• Teststroom (I_T) – dit is de stroom bij V_BR (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: spannings-/stroomkarakteristieken voor bidirectionele TVS-diodes die de voornaamste apparaatparameters illustreren. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De CAN-specificatie vermeldt de kritische transceiverkarakteristieken, die op hun beurt bepalend zijn voor de karakteristieken van de TVS-diodes die zijn geselecteerd om bescherming tegen elektrische transiënten te bieden. Belangrijkste parameters:

• -3,0/16 Volt min./max. busspanning (12 Voltsysteem)
• -2,0/2,5 Volt min./nom. CAN_L common-mode busspanning
• 2,5/7,0 Volt nom./max. CAN_H common-mode busspanning
• Aanbevolen ≥ ±8,0 Kilovolt (kV) (contact) ESD
• ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 immuniteit voor piekpulsstroom

De eerste parameters waar de ontwikkelaar naar moet kijken zijn V_RWM en V_BR. De waarden van deze parameters moeten toereikend zijn, zodat de TVS-diode bij normaal bedrijf een hoge impedantie heeft, maar niet zo hoog dat het apparaat pas begint te geleiden op het moment dat de CAN-transceiver al aan een gevaarlijk hoge spanning is blootgesteld. Het dient te worden opgemerkt dat, alhoewel elektrische systemen voor auto's over het algemeen op een 12 Volt-batterij werken, de meeste zijn ontworpen om in geval van nood te worden opgestart vanaf een 24 Volt-voeding. Bij de keuze van de TVS-diode dient hier rekening mee te worden gehouden.

De NU2105L van ON Semiconductor heeft bijvoorbeeld een V_RWM van 24 Volt en een V_BR van 26,2 Volt bij 1 Milliampère (mA). De CDSOT23-T24CAN CAN bus-beschermer van Bourns, een dubbele bidirectionele TVS-diode in SOT-23 pakket, biedt een identieke specificatie.

Vervolgens dient de ontwikkelaar de maximale capaciteit van de TVS-diode te checken. Een grote capaciteit ondermijnt de signaalintegriteit. Hoe hoger de datasnelheid, des te lager de capaciteit moet zijn. Een vuistregel: een maximale capaciteit tussen signaallijnen en massa van 100 picofarad (pF) bij een datasnelheid van 125 Kilobit per seconde (Kbit/s) en 35 pF bij 1 Mbit/s. Merk op dat sommige gegevensbladen de capaciteit op 0 Volt geven, terwijl anderen de gemiddelde spanning van CAN-transceivers vermelden, die 2,5 Volt bedraagt. Daarnaast dient de capaciteit van de twee differentiële signalen onderling te worden afgestemd om de integriteit van de pulsbreedte in het uitgangssignaal van de versterker te behouden.

Bij 0 Volt en 1 Mbit/s heeft de CDSOT23-T24CAN van Bourns bijvoorbeeld een capaciteit van 22 pF tussen signaallijn en massa. De UCLAMP2492SQTCT van Semtech, een SOT-23 pakket dat twee bidirectionele TVS-diodes huisvest en specifiek is ontworpen voor immuniteit voor stroomstoten in CAN-bus toepassingen, biedt een capaciteit van 15 pF (bij 0 Volt en 1 Mbit/s) tussen signaallijnen en massa.

Het heeft ook zin om een apparaat met lage sperlekstroom (I_R) te kiezen om de systeemefficiëntie te maximaliseren. Merk op dat I_R stijgt met de temperatuur; bij de selectie van een apparaat dient rekening te worden gehouden met de bedrijfsomstandigheden. De NUP2105L heeft bijvoorbeeld een I_R van 0,1 Microampère (µA) op 25 °C, terwijl de UCLAMP2492SQTCT een I_R van 0,2 µA heeft bij 25 °C en 0,35 µA bij 125 °C.

Tenslotte moet de ontwikkelaar ervoor zorgen dat de TVS-diode de energie van een niet-herhalende elektrische transiënt zonder schade kan wegleiden en dat de klemspanning bij de piekstroom van de elektrische stroomstoot de CAN-transceiver niet zal beschadigen.

IEC 61000-4-5, de norm van IEC die specificeert hoe er moet worden getest op immuniteit voor stroomstoten, beschrijft de typische piekgolfvorm die wordt gebruikt om de capaciteit van een TVS-diode te bepalen. De golfvorm bereikt 90% van zijn piekwaarde in 8 Microseconden (µs) en valt terug tot 50% van de piekwaarde in 20 µs. Op gegevensbladen is dit vaak terug te vinden als de “8/20 µs golfvorm” (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: voorbeeld van de golfvormparameters (“8/20 µs”) die zijn gespecificeerd in IEC 61000-4-5 om de immuniteit van een TVS-diode voor stroomstoten te testen. (Bron afbeelding: Bourns)

De respons van de CDSOT23-T24CAN TVS van Bourns op een 11 Ampère (A) 8/20 µs golfvorm is te zien op Afbeelding 6. De fabrikant vermeldt een maximale klemspanning van 36 Volt voor een stroomstoot van 5 A en 40 Volt voor een stroomstoot van 8 A. De equivalente waarden voor de NUP2105L van ON Semiconductor zijn 40 en 44 Volt met een piekvermogensdissipatie van 350 W, en voor de UCLAMP2492SQTCT van Semtech 44 volt bij 5 A.

Afbeelding 6: respons van CDSOT23-T24CAN van Bourns op een 11 A 8/20 µs golfvorm. Let op de snelle respons van het TVS-diodepakket op de stroomstoot en de klemspanningspiek van 36,4 Volt. (Bron afbeelding: Bourns)

Nadat de ontwikkelaar de juiste TVS-diodes voor het project heeft geselecteerd, dient de nodige aandacht te worden besteed aan de keuze van de beste printplaat-layout om optimale prestaties te verkrijgen. Het overheersende principe is dat, de TVS-diode(s), na te zijn geactiveerd door een overspanning, potentieel schadelijke pieken van de CAN-transceiver veilig wegleiden en in het grondvlak afvoeren.

Bourns adviseert bijvoorbeeld om de SOT-23 zo dicht mogelijk bij de busconnector te plaatsen, met korte traces naar de signaallijnen. Het bedrijf geeft aan dat een standaard koperen trace (10 mil, 1 ounce) meer dan afdoende is om het piekstroomniveau van typische elektrische transiënten aan te kunnen. De aardingspen van het apparaat moet met het grondvlak van de PCB zijn verbonden via een korte trace en een via. Tot slot moet, als er een grondvlak is aan de signaalzijde van de TVS-diode, de component rechtstreeks met het grondvlak worden verbonden (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: aanbevolen printplaat-layout voor CDSOT23-T24CAN van Bourns. De SOT-23 die TVS-diodes huisvest moet zo dicht mogelijk bij de CAN-busconnector worden geplaatst. (Bron afbeelding: Bourns)

Conclusie

Kosten, ruimte en gewicht leggen beperkingen op aan mogelijke oplossingen om apparaten op de CAN-bus te beschermen tegen extreme gebeurtenissen zoals blikseminslag en ESD. TVS-diodes bieden echter een acceptabel compromis tussen deze beperkingen en het geleverde beschermingsniveau. De sleutel tot een succesvolle implementatie is een zorgvuldige afstemming van de elektrische kenmerken van een TVS-diode op de toepassing, zodat er aan de ene kant bescherming wordt verzekerd terwijl aan de andere kant de normale werking van de CAN-bus niet in gevaar wordt gebracht.

De recente introductie van compacte (SOT-23) oplossingen, specifiek ontworpen voor automotive CAN-toepassingen, die zowel unidirectionele als bidirectionele TVS-diodes integreren, vereenvoudigt niet alleen de selectie van componenten maar reduceert ook de ontwerpcomplexiteit en de ruimtevereisten.

Verwijzingen

1. Opties voor circuitconfiguratie voor TVS-diodes, AND8231/D, ON Semiconductor, maart 2017.
2. Richtlijnen voor de selectie van TVS-diodes voor CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, augustus 2004.