Stromkreisschutz mit TVS-Dioden erhöht die Zuverlässigkeit von CAN-Bussen

Der CAN-Bus (Controller Area Network), ein weit verbreiteter Busstandard für Automobiltechnik und andere Anwendungen, hat eine hohe integrierte Störfestigkeit gegen Überspannungen und Überströme. Angesichts von bis zu 70 elektronischen Steuergeräten (ECUs), die sich im Elektroniknetz eines hochwertigen Fahrzeugs befinden können, gilt das Augenmerk der Entwickler in zunehmendem Maß der Verhinderung von Schäden durch Störspannungen, die beispielsweise bei Blitzschlag und elektrostatischer Entladung (ESD) entstehen. Diese Störanfälligkeit erhöht das Ausfallrisiko und gefährdet die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs.

Es gibt zwar ein breites Spektrum an TVS-Komponenten, bei Automobiltechnik gelten aber in der Regel strenge Vorgaben in Bezug auf Kosten, Gewicht und Ausfallsicherheit. Dadurch kommen viele der größeren und komplexeren TVS-Komponenten nicht in Frage. In jüngster Zeit haben die Hersteller jedoch Versionen der einfachen TVS-Diode in Kfz-Güte eingeführt, die eine kostengünstige, kompakte und äußerst zuverlässige Option für den Schutz von Stromkreisen bieten. Im Gegensatz zu einigen Alternativen erhöhen TVS-Dioden zudem die Störfestigkeit von CAN-Transceivern und haben vernachlässigbare Auswirkungen auf die Integrität der hochfrequenten Kommunikationssignale.

Dieser Artikel beschreibt, wie TVS-Dioden ein hohes Maß an kostengünstigem Schutz für empfindliche CAN-Bus-Implementierungen bieten können. Ferner wird erläutert, warum es wichtig ist, nicht nur ein für die Automobiltechnik ausgelegtes Bauteil auszuwählen, sondern auch die Spitzenspannung und den Spitzenstrom, die Kapazität, den Leckstrom und die Klemmspannung zu berücksichtigen, um empfindliche Steuergeräte und CAN-Transceiver umfassend zu schützen. Anschließend werden geeignete TVS-Lösungen von Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns und Semtech vorgestellt und deren richtige Anwendung erläutert.

Eine kurze Einführung in die CAN-Technik

Die CAN-Technik entstand aus der Notwendigkeit heraus, Fahrzeuge mit mehr Elektronik auszustatten, ohne die Komplexität und das Gewicht des Kabelbaums zu vervielfachen. Der CAN-Standard definiert ein robustes Peer-to-Peer-Netzwerk, das mehrere physische Schichten (PHY) unterstützt. Die gebräuchlichste PHY ist jedoch die Highspeed-Version (eine zweiadrige Implementierung, die Rohdatenraten von bis zu 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) ermöglicht). Das Netzwerk ermöglicht die Kommunikation zwischen mehreren CAN-Geräten, z. B. Steuergeräten. Angeschlossene Steuergeräte benötigen nur eine einzige CAN-Schnittstelle (anstelle mehrerer analoger und digitaler I/Os), um eine Verbindung zu jedem anderen Gerät im Netzwerk herzustellen. Eine aufwendige und teure Verkabelung entfällt somit.

Ein typisches CAN-Bus-Differenzschema (CAN H/CAN L) umfasst Transceiver, die über einen seriellen Bus kommunizieren. Ein Twisted-Pair-Kabel mit einer charakteristischen Nennimpedanz von 120 Ohm (Ω) dient der Übertragung des Signals zwischen den Knoten auf dem Bus. Zur Erhöhung der Störfestigkeit (EMI) kommt häufig eine Split-Termination-Topographie zum Einsatz (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der CAN-Bus nutzt ein Differenz-Kommunikationsschema, um Transceivern die zuverlässige Kommunikation über einen seriellen Bus zu ermöglichen. (Bildquelle: Bourns)

CAN-Steuergeräte und -Transceiver bestehen aus inhärent fragilem Silizium; dennoch wird erwartet, dass sie anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten. So fordern die meisten Fahrzeughersteller beispielsweise die Eignung nach AEC-Q100, einem Fehler-Stresstest für Fahrzeugelektronik. Wichtige Autohersteller fordern auch die Einhaltung der neuesten internationalen Normen (ISO 7637 und IEC 61000-4-5). Diese Normen definieren elektrische Testtransienten, mit denen durch Leitung und Kopplung bedingte elektrische Störungen während des Fahrzeugbetriebs simuliert werden sollen.

Einige Angebote von Chipherstellern erfüllen diese Spezifikationen. Der CAN-Transceiver SN65HVD1050DRG4 von Texas Instruments zum Beispiel bietet Querschluss-, Überspannungs- und Erdungsverlustschutz von –27 bis 40 Volt sowie Übertemperaturabschaltung. Zudem hält der Chip den in ISO 7637 definierten Transienten von –200 bis 200 Volt stand.

Geräte mit einer hohen Spezifikation haben einen Nachteil: die Kosten – und die sind im Fahrzeugbau von entscheidender Bedeutung. Zweitens besteht die Gefahr, dass ein störfest ausgelegtes Gerät bei wiederholter Exposition Schäden davonträgt, auch wenn es u. U. für einen bestimmten Zeitraum Spannungsspitzen widersteht. Drittens kann die Fahrzeugelektronik durch Blitze und elektrostatische Entladungen Spannungen und Strömen ausgesetzt werden, die über die Anforderungen zur Einhaltung bestimmter Normen hinausgehen. Zusätzlicher Schutz, der Stromtransienten gegen Erde und damit weg von empfindlichem Silizium ableitet, lohnt sich für Automobilhersteller, die eine höhere Ausfallsicherheit wollen.

Störspannungsunterdrückung unter Verwendung von Dioden

Es gibt mehrere etablierte Techniken zur Implementierung eines Stromtransientenschutzes. Grob lassen sie sich als Blockieren, Unterdrücken oder Isolieren klassifizieren. Vereinfacht ausgedrückt werden für das Blockieren Sicherungen und Leistungsschalter und für das Unterdrücken TVS-Bauelemente wie TVS-Dioden und Metalloxid-Varistoren (MOVs) verwendet. Und das Isolieren erfolgt mittels isolierender Komponenten wie Optokopplern und Transformatoren.

Das Blockieren ist effektiv und kostengünstig. Der Nachteil ist, dass die Komponenten nach der Aktivierung ausgetauscht oder zurückgesetzt werden müssen, was bei Automobiltechnik äußerst unpraktisch ist. Das andere Ende der Skala bilden Trennvorrichtungen. Sie sind vollumfänglich wirksam und müssen nicht ausgetauscht oder zurückgesetzt werden, sind dafür aber sperrig, komplex und teuer. TVS-Komponenten liegen etwa in der Mitte. In der Regel sind sie effektiv, kompakt und relativ preisgünstig.

TVS-Komponenten gibt es in einer Reihe von Ausführungen, darunter TVS-Dioden (und TVS-Diodenarrays), MOVs und proprietäre Störstromunterdrückungsbausteine. TVS-Dioden sind zwar nicht die leistungsstärksten TVS-Komponenten, dafür aber kostengünstig und robust (insbesondere in Kombination mit CAN-Knoten, die die Normen AEC-Q100 und ISO 7637 erfüllen). Das macht sie zu einer guten Wahl für den Schutz von Schaltkreisen in der Raumfahrt und bei Kfz-Anwendungen mit engen Kostenrahmen.

Eine TVS-Diode ist ein p-n-Gerät, das zur Absorption hoher Stoßströme speziell mit einem großen Sperrschicht-Querschnitt bemessen ist. Die Spannungs-/Stromkennlinie einer TVS-Diode ähnelt zwar der einer Zenerdiode, die Geräte sind jedoch eher auf Spannungsunterdrückung als auf Spannungsregelung ausgelegt. Ein wesentlicher Vorteil der TVS-Diode ist ihr schnelles Ansprechen (in der Regel innerhalb von Nanosekunden) auf Störströme und die sichere Ableitung ihrer Energie auf Masse unter Beibehaltung einer konstanten Klemmspannung.

In der Theorie ist der Schutzmechanismus einfach. Unter normalen Betriebsbedingungen weist die TVS-Diode eine hohe Impedanz für den geschützten Stromkreis auf. Wenn jedoch die sichere Betriebsspannung des geschützten Stromkreises überschritten wird, arbeitet die TVS-Diode in einem Avalanche-Modus, der für den Störstrom einen Pfad mit niedriger Impedanz zu Masse bereitstellt. Die maximale Spannung, die auf den geschützten Stromkreis wirkt, ist in der Regel gering und auf die Klemmspannung der Diode begrenzt. Nach dem Abklingen der Stromspitze kehrt die TVS-Komponente in einen hochohmigen Zustand zurück (Abbildung 2).

Abbildung 2: TVS-Dioden schützen Schaltkreise, indem sie für Stoßströme einen Pfad zu Masse bereitstellen und gleichzeitig die Klemmspannungen auf einem sicheren Pegel halten. (Bildquelle: Semtech)

In der Praxis ist die Schutzschaltung bei CAN-Implementierungen wesentlich komplexer, weil über das Netzwerk nicht nur Strom, sondern auch Daten laufen, deren Übertragung über ein Differenzsignalschema erfolgt.

Auswahl von TVS-Dioden für CAN-Anwendungen

TVS-Dioden sind in zwei Ausführungen erhältlich: unidirektional und bidirektional. Schutz für positive und negative Spannungsspitzen bieten beide, ihr wichtigster Unterschied besteht in der Durchschlagspannung (die Spannung, bei der die Komponente im Avalanche-Modus zu leiten beginnt und daher eine niedrige Impedanz aufweist). Die bidirektionale Komponente bietet in beide Richtungen dieselbe Durchschlagspannung. Die unidirektionale Komponente hingegen weist bei negativen Spannungsspitzen eine viel niedrigere Durchschlagspannung auf (die gleich der Vorwärtsspannung der Diode ist).

Unidirektionale und bidirektionale Komponenten können prinzipiell für dieselbe Anwendung verwendet werden, es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die unterschiedlichen Durchschlagspannungseigenschaften der einzelnen Komponenten von Vorteil sind. Wenn der CAN-Transceiver beispielsweise einen digitalen Logik-IC bedient, bietet die niedrige Durchschlagspannung der unidirektionalen TVS-Diode einen hervorragenden Schutz vor negativen Spannungsspitzen.

Zu den wichtigsten Vorteilen von bidirektionalen TVS-Komponenten gehört, dass sie das Gleichtakt-Offsetspannungsproblem lösen. Dies liegt daran, dass CAN-Transceiver mit einer Signalleitungsspannung arbeiten können müssen, die bis zu 2,0 Volt vom Nennspannungspegel abweicht. Weil bidirektionale TVS-Komponenten in positiver und negativer Richtung eine große Klemmspannung aufweisen, blockieren sie bei einem Signalleitungsversatz nicht. Darüber hinaus können bidirektionale TVS-Dioden als vollwertiger Ersatz für inhärent bidirektionale MOVs eingesetzt werden.

Es gibt verschiedene alternative Topologien für den CAN-Bus-Schutz. Die einfachste arbeitet mit einer TVS-Diodenanordnung, die zwei bidirektionale Dioden umfasst, eine über die Leitung und Masse von CAN_H (oder DATA_H) und die andere über die Leitung und Masse von CAN_L (oder DATA_L). Bei der alternativen Anordnung kommen anstelle der bidirektionalen TVS-Dioden unidirektionale Komponenten zum Einsatz (Abbildung 3).

Abbildung 3: Je nach Anwendung können bidirektionale (links) oder unidirektionale (rechts) TVS-Dioden verwendet werden. Hersteller bieten häufig Lösungen an, bei denen die beiden Dioden in einem Gehäuse integriert sind. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Es ist möglich, einzelne TVS-Dioden zum Schutz aller CAN-Datenleitungen zu verwenden, viele Hersteller bieten jedoch Pakete an, die beide Dioden in einem Paket integrieren. So gibt es von ON Semiconductor beispielsweise die TV-Diode NUP2105LT1G, die mit einem kompakten SOT-23-Paket bidirektionalen Schutz für jede CAN-Datenleitung bereitstellt. Die Komponente kann eine Spitzenverlustleistung von 350 Watt bewältigen. Die NUP1105LT1G ist das unidirektionale Gegenstück.

Wenn sich ein Entwickler für eine Topologie entschieden hat, wird die Leistung der Schaltung durch sorgfältige Auswahl einer TVS-Diode mit Betriebseigenschaften bestimmt, die den Anforderungen der Anwendung entsprechen.

Zu den wichtigsten Parametern bidirektionaler TVS-Dioden zählen:

• Sperrspannung (V_RWM): maximale Gleichstrom-Betriebsspannung. Bei dieser Spannung ist die Diode nicht leitend und wirkt wie ein hochohmiger Kondensator.
• Durchbruchspannung (V_BR): der Punkt (in der Regel gemessen bei 1 Milliampere (mA)), an dem die Komponente im Avalanche-Modus leitet und auf niedrige Impedanz übergeht.
• Spitzenimpulsstrom (I_PP): der maximale Stoßstrom, für den die Komponente ausgelegt ist.
• Maximale Klemmspannung (V_C): der maximale Spannungsabfall über der Diode bei I_PP.
• Leckstrom (I_R): der bei V_RWM gemessene Strom.
• Teststrom (I_T): der Strom bei V_BR (Abbildung 4).

Abbildung 4: Spannungs-/Stromcharakteristik für bidirektionale TVS-Dioden zur Veranschaulichung der wichtigsten Bauteilparameter. (Bildquelle: ON Semiconductor)

In der CAN-Spezifikation sind die kritischen Transceiver-Eigenschaften definiert, die ihrerseits die Eigenschaften der TVS-Dioden bestimmen, die ausgewählt wurden, um Transientenschutz zu bieten. Wichtigste Parameter:

• –3,0/16 Volt min./max. Busspannung (12-Volt-System)
• –2,0/2,5 Volt min./nom. CAN_L-Gleichtakt-Busspannung
• 2,5/7,0 Volt nom./max. CAN_H-Gleichtakt-Busspannung
• Empfohlen: ≥ ±8,0 Kilovolt (kV) (Kontakt) ESD
• ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 Störfestigkeit gegen Stoßstromimpulse

Die ersten Parameter, die der Entwickler in Betracht ziehen sollte, sind V_RWM und V_BR. Diese sollten so bemessen sein, dass die TVS-Diode im Normalbetrieb eine hohe Impedanz aufweist, jedoch nicht so hoch, dass die Komponente erst dann leitend wird, wenn der CAN-Transceiver einer gefährlich hohen Spannung ausgesetzt ist. Dabei ist zu beachten, dass elektrische Kfz-Systeme im Allgemeinen mit einer 12-Volt-Batterie betrieben werden, aber meist so ausgelegt sind, dass sie im Notfall über eine 24-Volt-Stromquelle fremdgestartet werden. Das sollte bei der Wahl der TVS-Diode berücksichtigt werden.

Die NU2105L von ON Semiconductor hat beispielsweise eine V_RWM von 24 Volt und eine V_BR von 26,2 Volt bei 1 Milliampere (mA). Die CAN-Bus-Schutzkomponente CDSOT23-T24CAN von Bourns, eine duale bidirektionale TVS-Diode in einem SOT-23-Paket, bietet eine identische Spezifikation.

Anschließend sollte der Entwickler die maximale Kapazität der TVS-Diode prüfen. Eine große Kapazität geht zu Lasten der Signalintegrität. Je höher die Datenrate ist, desto geringer sollte die Kapazität sein. Als Faustregel gilt eine maximale Kapazität zwischen Signalleitungen und Masse von 100 Picofarad (pF) bei einer Datenrate von 125 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) und 35 pF bei 1 Mbit/s. Beachten Sie, dass einige Datenblätter die Kapazität bei 0 Volt angeben, andere hingegen die Angabe der Kapazität auf die durchschnittliche Spannung von CAN-Transceivern beziehen, die 2,5 Volt beträgt. Außerdem sollte die Kapazität der beiden Differenzsignale angepasst werden, um die Impulsbreitenintegrität im Ausgangssignal des Verstärkers zu garantieren.

So hat beispielsweise die CDSOT23-T24CAN von Bourns bei 0 Volt und 1 Mbit/s eine Kapazität von 22 pF zwischen Signalleitung und Masse. Die UCLAMP2492SQTCT von Semtech, ein SOT-23-Paket, das zwei bidirektionale TVS-Dioden beherbergt und speziell für die Gewährleistung der Störfestigkeit von CAN-Bussen ausgelegt ist, bietet eine Kapazität von 15 pF (bei 0 Volt und 1 Mbit/s) zwischen Signalleitungen und Masse.

Zur Maximierung des Wirkungsgrads des Systems empfiehlt es sich auch, ein Gerät mit einem geringen Leckstrom (I_R) zu wählen. I_R steigt mit der Temperatur. Daher sollten bei der Auswahl einer Komponente die Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Die NUP2105L beispielsweise hat einen I_R von 0,1 Mikroampere (µA) bei 25 °C. Die UCLAMP2492SQTCT hingegen hat einen I_R von 0,2 µA bei 25 °C und 0,35 µA bei 125 °C.

Schließlich sollte der Entwickler sicherstellen, dass die TVS-Diode die Energie eines einmaligen Spannungsstoßes ohne Beschädigung ableiten kann und dass die Klemmspannung bei Spitzenstörstrom den CAN-Transceiver nicht beschädigt.

IEC 61000-4-5, die Norm der IEC, die definiert, wie die Störfestigkeit gegen Stoßspannung geprüft wird, beschreibt die typische Wellenform für Spannungsspitzen, mit der die Leistungsfähigkeit einer TVS-Diode bestimmt wird. Die Wellenform erreicht in 8 Mikrosekunden (µs) 90 % ihres Spitzenwerts und fällt in 20 µs auf 50 % des Spitzenwerts ab. In Datenblättern wird dies oft als „8/20-µs-Wellenform“ (Abbildung 5) bezeichnet.

Abbildung 5: Beispiel der in IEC 61000-4-5 definierten Wellenformparameter („8/20 µs“) für das Testen der Störfestigkeit einer TVS-Diode. (Bildquelle: Bourns)

Die Reaktion der TVS-Komponente CDSOT23-T24CAN von Bourns auf eine 8/20-µs-Wellenform mit 11 Ampere (A) wird in Abbildung 6 veranschaulicht. Der Hersteller nennt eine maximale Klemmspannung von 36 Volt für einen 5-A-Stromstoß und 40 Volt für einen 8-A-Stromstoß. Die entsprechenden Werte für die NUP2105L von ON Semiconductor liegen bei 40 bzw. 44 Volt bei einer Spitzenverlustleistung von 350 W und für die UCLAMP2492SQTCT von Semtech bei 44 Volt bei 5 A.

Abbildung 6: Reaktion der CDSOT23-T24CAN von Bourns auf eine 8/20-µs-Wellenform bei 11 A. Beachten Sie das schnelle Ansprechen des TVS-Diodenpakets auf den Stoßstrom und die Klemmspannungsspitze von 36,4 Volt. (Bildquelle: Bourns)

Wenn der Entwickler die geeigneten TVS-Dioden für den Auftrag ausgewählt hat, ist sorgfältig abzuwägen, wie das beste Platinenlayout aussehen soll, um eine optimale Leistung zu erzielen. Als oberstes Prinzip gilt: Nach Aktivierung durch eine Überspannung werden potenziell schädliche Überspannungen durch die TVS-Diode(n) vom CAN-Transceiver weggeführt und sicher in die Massefläche abgeleitet.

Bourns empfiehlt zum Beispiel, das SOT-23-Gerät so nahe wie möglich am Busanschlussstecker zu platzieren – mit kurzen Bahnen zu den Signalleitungen. Laut Bourns ist eine Standard-Kupferbahn von 10 mil (1 Unze) mehr als ausreichend, um den Spitzenstrompegel typischer Transienten zu bewältigen. Der Erdungspin der Komponente sollte über eine kurze Leiterbahn und eine Durchkontaktierung mit der Massefläche der Platine verbunden sein. Befindet sich auf der Signalseite der Komponente in der Nähe der TVS-Diode eine Massefläche, sollte die Komponente direkt mit der Massefläche verbunden werden (Abbildung 7).

Abbildung 7: Empfohlenes Platinenlayout für die CDSOT23-T24CAN von Bourns. TVS-Dioden in SOT-23-Gehäusen sollten so nah wie möglich am CAN-Bus-Anschluss platziert werden. (Bildquelle: Bourns)

Fazit

Kosten-, Platz- und Gewichtsbeschränkungen begrenzen die mögliche Bandbreite von Lösungen für den Schutz von CAN-Bus-Geräten vor Extremereignissen wie Blitzschlag und ESD. TVS-Dioden bieten jedoch einen akzeptablen Kompromiss zwischen diesen Einschränkungen und der Schutzleistung. Der Schlüssel für eine erfolgreiche Implementierung ist die sorgfältige Abstimmung der elektrischen Eigenschaften der TVS-Diode auf die Anwendung, damit Schutz gewährleistet ist, ohne den normalen Betrieb des CAN-Busses zu beeinträchtigen.

Die kürzlich erfolgte Einführung kompakter (SOT-23) Lösungen, die speziell für CAN-Anwendungen im Automobilbereich entwickelt wurden und unidirektionale oder bidirektionale TVS-Komponenten einschließen, vereinfacht die Komponentenauswahl sowie die Komplexität des Designs und reduziert den Platzbedarf.

Referenzen

1. Schaltkreis-Konfigurationsoptionen für TVS-Dioden, AND8231/D, ON Semiconductor, März 2017.
2. Richtlinien für die Auswahl von TVS-Dioden für das CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, August 2004.