高防护CAN接口电路技巧：CAN总线如何防雷？

CAN-bus起源于汽车总线，目前被广泛应用于环境复杂的工业现场，因此必要的总线防护是主板及设备安全的重要保障。今天我们聊一聊CAN总线防雷防护设计。

从广义上讲防雷包含两个概念，一是防雷击二是防浪涌。雷击是雷雨云中电荷瞬间释放的现象，它能在周围引起高能、瞬变的电场及磁场。浪涌包括浪涌电流、浪涌电压，它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象，如图1。雷击又可分为直击雷、非直击雷，直击雷是雷电直接作用到物体上，非直击雷则是通过电磁场感生出电动势、电流作用到物体上，两者都能产生浪涌电压、浪涌电流。

图1 电压浪涌

CAN总线物理层传输介质一般为铜制双绞线，容易受到电磁场的干扰。CAN收发器属于弱电元器件，对电压电流的冲击毫无抵抗力，因此复杂工业现场CAN总线的防雷设计十分必要。CAN总线防雷要从两方面入手，一是CAN收发器处，即接口防护；二是物理介质处，即传导防护。防护的思路主要是屏蔽干扰、提供泄放通道、隔离保护。

一、接口防护

CAN的接口防护一般是在收发器外加隔离保护器件，如光耦、磁耦等。为接口设计方便，我们可以使用一体化的收发器模块。相比于单个的收发器芯片，模块化的产品环境适应性更强。图2是超小体积、隔离型CAN收发模块，这种模块可以挂载到CAN总线上，拥有高达2500VDC隔离耐压值。

图2 隔离型CAN收发模块及应用电路

根据经验，隔离型模块在容易遭受大能量雷击的场合工作时，仍需要加更高等级的防护电路，保护模块不被损坏以及总线的可靠通信。常用的器件有GDT、TVS以及共模电感。如图3所示，GDT被放置于接口最前端，提供第一级的雷击浪涌防护。当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。后端的TVS提供第二级浪涌防护，具体规格可根据需求选择。

图3 高防护CAN接口电路

上述推荐的接口电路虽然能够提供有效的防护，但是需要引入较多的电子器件，这也就意味着接口电路将占用更多的PCB空间，若器件参数选择不合适易造成EMC问题。有没有更简洁的防护设计呢？可选择引入专业的浪涌抑制器，这种小体积模块采用灌封材料，具备高防护等级要求。

以SP00S12模块为例，它可以满足 IEC/EN61000-4-5 ±4KV 浪涌等级要求，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护，非常适合于CAN、RS-485 等通信领域的浪涌防护。以共模浪涌测试为例，在SP00S12输入端加载4KV、1.2/50μs 浪涌电压（图4），在输出端测试压降已被降低至17.1V（图5）。

图4 输入端电压波形4KV

图5 输出端波形电压17.1V

图6是一个 CAN节点电路设计，在收发器与CAN总线间添加 SP00S12，可使 CAN 信号端口轻松满足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等级要求。

图6 浪涌抑制器的应用

除此之外，我们还有更好的选择，如图7采用一体化的高浪涌防护隔离 CAN 收发器可以完全代替隔离CAN收发器与浪涌抑制器的组合。此方案将最大限度简化电路设计、节省PCB空间、降低产品成本。它能够防护4KV浪涌、15KV静电的同时还具备极佳的EMC特性。 

图7 极简隔离方案

二、传导防护

传导防护主要是在传输线上进行的。CAN总线的数据传输介质一般为双绞线，它主要的作用是抗低共模干扰，但是在面对浪涌、雷击等情况时不仅没有防护作用，反而易造成节点设备的损坏。因此，具备室外环境、长传输距离、多节点设备特点的总线一般都要加隔离防护功能的网桥、中继器，如图8。当用户的CAN总线受到强干扰导致死机或者损坏，接上该系列产品后，可以隔离干扰保护设备正常运行。优秀的网桥及中继器具有2500VDC、±8KV静电等级的防护能力。

图8 网桥防护方案

有没有方法能彻底解决雷击造成的隐患呢？答案是肯定的，只要数据的传输不依赖电信号就能完全隔离掉雷击的危害。我们可以把CAN总线室外的部分或者说容易受到干扰的部分使用光信号传输，这种方法目前已经广泛应用于高速铁路、地铁、煤矿、医疗、航空航天、楼宇安防、电梯控制等场合。

图9 CAN转光纤防护方案

总线防护问题牵涉面广，需要理论与经验结合。好了，今天CAN总线防雷讨论就到这里。