CAN―BUS静电保护电路设计

【摘 要】本文介绍了现有方案及其存在的技术缺陷，重点分析了CAN-BUS防静电电路的设计方法，探讨了其工作原理与技术优势。

【关键词】CAN-BUS 防静电 设计 技术优势

一、现有CAN总线的防静电方案的技术缺陷

CAN总线多用于工业局域网总线和汽车电子计算机领域，而由于CAN总线芯片的集成度要求，其芯片本身的防静电能力比较脆弱，所以需要在接口处增加专门的防静电电路。

针对CAN总线的防静电方案存在很多的缺陷：

（一）一般ESD方案需要器件较多，不仅很大程度上增加了成本，并且对小体积设备设计带来诸多的不便；

（二）很多传统的ESD防护方案在次级防护后最终残留下来的不利于系统的冲击信号过大，导致在真正的系统上，出现若干概率的ESD事故；

（三）传统的ESD方案由于器件繁杂，在防护通路上阻抗、容抗过大，存在不利于系统有用信号传输，甚至会导致系统传输出现问题。

二、新型CAN-BUS静电防护电路

（一）总体方案。本方案在保证ESD防护性能的前提下，解决了如上问题，本方案总体框图如下：

（二）防静电电路具体设计。防静电电路由三大模块组成，包括：第一级是GDT气体放电管（简称GDT模块）、第二级是PTC热敏电阻（简称PTC模块）、第三级是双路双向ESD防静电二极管（简称TVS模块）。

1.GDT气体放电管模块。此模块为本方案的第一道防线，是CAN总线模块和外部接口的桥梁，在保证最佳性能的前提下，为了符合各种应用需求，专门设计了各种封装的模块，部分模块封装如下图2所示：

图2

本模块在静电攻击时性能上表现高触发反应、高速复原、低寄生电容、强电流泄放。

此模块共用三个引脚，从图1整体框图上可以看出，有2个引脚分别连接CAN总线的2根信号线，第3个引脚连接地端，这种设计方案可以同时实现共模防护和差模防护，差模ESD有害信号可以从信号线2端通路泄放，共模ESD有害信号可以从本GDT气体放电管模块的第3脚地快速泄放，达到稳定可靠的防护效果。

2.PTC热敏电阻模块。本模块由2颗PTC（热敏电阻）组成，分别串联在GDT模块和TVS模块中间，接受来自第一级防护残留下来的余波有害信号，利用了热敏电阻在大电流通过时表现为大电阻的特性，可以等价为切断了有害信号的通过。

此模块的另外一个更重要的特性是能减缓ESD有害信号传输作用，它巧妙地调整了整个方案的防护步骤，解决了GDT气体放电管模块天生反应速度就比ESD防静电二极管模块慢的问题，如果没有此模块，一个ESD强信号入侵的时候，没等到GDT模块起作用TVS先响应了，这样就达不到防护效果，为了解决此问题，PTC模块的设计正好使得GDT优先作用，抵挡80%以上的ESD有害信号。

3.双路双向ESD防静电二极管模块。此模块之所以简称为TVS模块，就是因为内部集成了若干TVS阵列，同时解决了共模、差模的ESD防护，结构框图如下图：

图3

由整体框图1可以看出，在本方案中，1号引脚和2号引脚分别连接CAN总线信号线，3号引脚连接地，用法类似于GDT模块的，作用是彻底消除GDT模块残留下来的小部分ESD有害信号，保证防护的万无一失。

（三）防静电电路工作原理与技术优势

正常情况下，热敏电阻非常小，相当于短路，对信号传输不产生任何影响，当雷电波过来时，因为防静电二极管ESD的动作很快，所以它首先导通，吧雷电波电压钳制在很低的水平，随着雷电波通过热敏电阻，使得热敏电阻的电阻急剧变大，热敏电阻前端即气体放电管两端的电压也跟着急剧变大，让气体放电管导通放电，泻防掉大量的雷电能量，二雷电拨付值减小到何等程度由ESD二极管决定。因此这二者通过热敏电阻的结合，发挥了各自的优点，又避免了彼此的缺点。由于防静电二极管采用双路双向的二极管，既确保了交流电压波动的钳制，也有利于电路板的元器件布局设计。通过三级保护电路确保静电、浪涌不会损坏芯片；采用集成度高的双路双向ESD保护元件有效节约空间

参考文献：

[1]王志洁，吕永奎.基于CAN总线的火电厂静电除尘器监控系统设计与应用[J].电力系统自动化，2002，26（23）

[2]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.