L'integrazione di diodi TVS per la protezione del progetto migliora l'affidabilità del bus CAN

Il bus CAN (Controller Area Network), un bus standard molto diffuso nel settore automobilistico e non solo, ha un elevato grado di immunità intrinseca a sovratensioni e sovracorrenti. Ma dal momento che l'elettronica di un veicolo di fascia alta può arrivare a comprendere anche 70 unità di controllo elettronico (ECU), i progettisti sono sempre più impegnati a evitare i danni causati da transitori elettrici come quelli derivanti da fulmini e scariche elettrostatiche (ESD). La sensibilità a questi eventi aumenta il rischio di guasti e minaccia di compromettere l'affidabilità del veicolo.

Sebbene siano disponibili numerosi dispositivi di soppressione di tensioni transitorie (TVS), le specifiche di costo, peso e affidabilità pongono in genere delle limitazioni alle applicazioni automotive, rendendo inapplicabili molti dei dispositivi TVS più grandi e più complessi. Di recente, però, i produttori hanno introdotto delle versioni dei semplici diodi TVS di grado automotive che offrono un'opzione di protezione dei circuiti economica, compatta ed estremamente affidabile. Inoltre, a differenza di alcune alternative, i diodi TVS aumentano l'immunità al rumore dei transceiver CAN e hanno un impatto trascurabile sull'integrità del segnale di comunicazione ad alta frequenza.

Questo articolo descrive come i diodi TVS possono offrire un livello elevato di protezione a basso costo per le implementazioni di bus CAN sensibili. Verrà poi spiegato perché è importante non solo selezionare un dispositivo di grado automotive, ma anche considerare attentamente la tensione e la corrente di picco, la capacità, la corrente di dispersione e la tensione di tenuta all'impulso per proteggere completamente le ECU e i transceiver CAN sensibili. Verranno infine presentate delle soluzioni TVS idonee di Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns e Semtech e verrà illustrato come applicarle correttamente.

Introduzione allo standard CAN

Lo standard CAN è nato dall'esigenza di aggiungere più elettronica ai veicoli senza aumentare la complessità e il peso del cablaggio. Specifica una robusta rete peer-to-peer che supporta diversi strati fisici (PHY), ma il PHY più comune è la versione ad alta velocità, un'implementazione a due fili che consente velocità dei dati grezzi fino a 1 Mbit/s. La rete permette la comunicazione tra più dispositivi CAN come le ECU. Le ECU collegate richiedono una sola interfaccia CAN (invece di più I/O analogici e digitali) per collegarsi a qualsiasi altro dispositivo nella rete, eliminando cablaggi complessi e costosi.

Un tipico schema bus CAN differenziale (CAN H/CAN L) comprende dei transceiver che comunicano su un bus seriale. Per trasmettere il segnale tra i nodi sul bus viene utilizzato un cavo a doppino intrecciato con un'impedenza caratteristica nominale di 120 Ω. Spesso, per migliorare l'immunità alle interferenze elettromagnetiche (EMI) viene utilizzata una topografia a terminazione divisa (Figura 1).

Figura 1: Bus CAN che utilizza uno schema di comunicazione differenziale e consente ai transceiver di comunicare in modo affidabile attraverso un bus seriale. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Anche se le ECU CAN e i transceiver sono costituiti da chip intrinsecamente delicati, ci si aspetta che sopportino condizioni operative difficili. Ad esempio, la maggior parte dei costruttori di veicoli richiede la certificazione AEC-Q100, uno stress test per i guasti meccanici per l'elettronica del veicolo. Le principali case automobilistiche richiedono anche la conformità ai recenti standard internazionali (ISO 7637 e IEC 61000-4-5). Questi standard specificano i transitori elettrici di test concepiti per simulare i disturbi elettrici dovuti alla conduzione e all'accoppiamento durante il funzionamento del veicolo.

Le offerte di alcuni fornitori di chip soddisfano queste specifiche. Il transceiver CAN SN65HVD1050DRG4 di Texas Instruments, ad esempio, è dotato di protezione a fili incrociati dalla perdita di messa a terra e da sovratensione tra -27 V e 40 V e spegnimento per sovratemperatura. Il chip può anche sopportare transitori tra -200 e 200 V definiti in ISO 7637.

Un dispositivo con specifiche elevate non è esente da fattori negativi. Il primo è il costo, che gioca un ruolo fondamentale nella fase di progettazione di un veicolo. In secondo luogo, anche se un dispositivo integrato nell'hardware potrebbe riuscire per un po' a sopportare transitori elettrici, l'esposizione ripetuta rischia di provocare dei danni. In terzo luogo, fulmini ed ESD possono esporre l'elettronica dell'auto a tensioni e correnti superiori a quelle richieste per la conformità ad alcuni standard. Per i costruttori che puntano a produrre auto più affidabili è utile aggiungere una protezione in più per deviare a terra i transitori elettrici e allontanarli così dal chip sensibile.

Soppressione di tensioni transitorie tramite diodi

Esistono diverse tecniche consolidate per implementare la protezione contro eventi transitori elettrici. A grandi linee possono essere classificate in tecniche di blocco, di soppressione e di isolamento. Spiegato in parole semplici, il blocco utilizza fusibili e interruttori automatici, la soppressione utilizza dispositivi TVS come i diodi TVS e i varistori in ossido di metallo (MOV), mentre per l'isolamento ci si affida ad appositi dispositivi come gli optoaccoppiatori e i trasformatori.

Il blocco è una tecnica efficace e poco costosa. Ma, una volta che i dispositivi sono intervenuti, devono essere sostituiti o resettati, il che non è molto comodo nelle applicazioni per veicoli. I dispositivi di isolamento, invece, sono completamente efficaci e non devono essere sostituiti o resettati, ma sono ingombranti, complessi e costosi. I dispositivi TVS sono una via di mezzo tra i due estremi. Sono generalmente efficaci, compatti e hanno un prezzo medio.

Sono disponibili in diversi tipi, tra cui diodi TVS (e array di diodi TVS), MOV e dispositivi proprietari di soppressione della corrente transitoria. Anche se i diodi TVS non sono i dispositivi TVS con le prestazioni migliori, costano poco e sono robusti (specie se abbinati a nodi CAN che soddisfano gli standard AEC-Q100 e ISO 7637). Queste caratteristiche ne fanno una buona scelta per la protezione dei circuiti in applicazioni automotive con vincoli di spazio e di costi.

Un diodo TVS è un dispositivo p-n studiato appositamente con una grande sezione trasversale di giunzione per assorbire correnti elevate di eventi transitori elettrici. Mentre le caratteristiche di tensione/corrente di un diodo TVS sono simili a quelle di un diodo Zener, il primo è progettato per sopprimere la tensione piuttosto che per regolarla. Rispetto ad altri dispositivi di soppressione, un diodo TVS ha il grande vantaggio di rispondere rapidamente (tipicamente entro nanosecondi) ai transitori elettrici, indirizzandone a terra l'energia in modo sicuro pur mantenendo una tensione di tenuta all'impulso costante.

In teoria, il meccanismo di protezione è semplice. Nelle normali condizioni operative, il diodo TVS presenta un'alta impedenza al circuito protetto, ma quando la tensione operativa sicura del circuito viene superata, il diodo TVS opera in modalità a valanga fornendo un percorso a terra a bassa impedenza per la corrente transitoria. La tensione massima a cui è soggetto il circuito protetto è generalmente bassa e limitata alla tensione di tenuta all'impulso del diodo. Il dispositivo TVS ritorna allo stato di alta impedenza dopo che la corrente elettrica transitoria si è abbassata (Figura 2).

Figura 2: I diodi TVS proteggono i circuiti fornendo un percorso a terra per i transitori elettrici mantenendo le tensioni a livelli di sicurezza. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Nella pratica, il circuito di protezione per le implementazioni CAN è più complesso perché la rete fornisce non solo alimentazione ma anche dati, trasportati tramite uno schema di segnalazione differenziale.

Selezione dei diodi TVS per applicazioni CAN

I diodi TVS sono disponibili in due tipi: unidirezionali e bidirezionali. Anche se forniscono entrambi protezione sia per le sovratensioni positive che per quelle negative, la differenza fondamentale è la tensione di rottura (la tensione alla quale l'apparecchio inizia a condurre in modalità a valanga e quindi presenta una bassa impedenza). Il dispositivo bidirezionale offre la stessa tensione di rottura in entrambe le direzioni, mentre quello unidirezionale ha una tensione di rottura molto più bassa (pari alla tensione di polarizzazione diretta del diodo) per picchi di tensione transitoria negativa.

Anche se per la stessa applicazione si possono utilizzare dispositivi sia unidirezionali che bidirezionali, in alcune applicazioni le loro diverse caratteristiche di tensione di rottura offrono un vantaggio. Ad esempio, se il transceiver CAN serve un circuito integrato a logica digitale, la bassa tensione di rottura del diodo TVS unidirezionale a picchi negativi offre una maggiore protezione.

Fra i vantaggi principali vi è il fatto che i dispositivi TVS bidirezionali risolvono il problema della tensione di offset di modo comune. Questo perché i transceiver CAN devono essere in grado di funzionare con una tensione di rete del segnale che può essere compensata fino a 2,0 V rispetto al livello di tensione nominale. Dato che i dispositivi TVS bidirezionali hanno un'alta tensione di tenuta all'impulso in direzione sia positiva che negativa, non si bloccheranno a causa dell'influenza di un offset della linea del segnale. Inoltre possono essere inseriti come sostituti diretti dei MOV intrinsecamente bidirezionali.

Per la protezione del bus CAN esistono diverse topologie alternative. Quella più semplice utilizza una disposizione dei diodi TVS che comprende due diodi bidirezionali, uno attraverso la linea CAN_H (o DATA_H) e la terra e l'altro attraverso la linea CAN_L (o DATA_L) e la terra. Nella disposizione alternativa, i diodi TVS bidirezionali vengono sostituiti con dispositivi unidirezionali (Figura 3).

Figura 3: A seconda dell'applicazione, è possibile utilizzare diodi TVS bidirezionali (sinistra) o unidirezionali (destra). I produttori spesso offrono soluzioni che integrano i due diodi in un unico contenitore. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

È possibile utilizzare singoli diodi TVS per proteggere ogni linea dati CAN, ma molti produttori offrono contenitori con integrati entrambi i diodi. Ad esempio, ON Semiconductor fornisce il diodo TVS NUP2105LT1G che assicura la protezione bidirezionale per ogni linea dati CAN con un unico contenitore compatto SOT−23. Il dispositivo può gestire una dissipazione della potenza di picco di 350 W. NUP1105LT1G è l'equivalente unidirezionale.

Una volta scelta la topologia, per determinare le prestazioni del circuito il progettista deve scegliere attentamente un diodo TVS le cui caratteristiche operative corrispondano alle esigenze dell'applicazione.

I parametri chiave del dispositivo a diodi TVS bidirezionali includono:

• Tensione di lavoro inversa (V_RWM) - ovvero la massima tensione di funzionamento c.c. A questa tensione il diodo si trova in uno stato non conduttore e funge da condensatore ad alta impedenza.
• Tensione di rottura inversa (V_BR) - ovvero il punto (misurato tipicamente a 1 mA) in cui il dispositivo conduce in modalità a valanga e passa a bassa impedenza.
• Corrente impulsiva di picco (I_PP) - ovvero la sovracorrente transitoria massima specificata per il dispositivo.
• Massima tensione di tenuta all'impulso (V_C) - ovvero la caduta di tensione massima attraverso il diodo in I_PP.
• Corrente di dispersione inversa (I_R) - ovvero la corrente misurata in V_RWM.
• Corrente di misura (I_T) - ovvero la corrente in V_BR (Figura 4).

Figura 4: Caratteristiche di tensione/corrente per i diodi TVS bidirezionali che illustrano i parametri chiave del dispositivo. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La specifica CAN indica nei dettagli le caratteristiche critiche del transceiver, che a loro volta determinano quelle dei diodi TVS selezionati per fornire una protezione dagli eventi transitori elettrici. I parametri chiave includono:

• Tensione del bus di -3,0/16 V min/max (sistema a 12 V)
• Tensione del bus di modo comune CAN_L di -2,0/2,5 V min/nom
• Tensione del bus di modo comune CAN_H di 2,5/7,0 V nom/max
• ESD consigliato ≥±8,0 kV (contatto)
• Immunità agli impulsi di corrente di sovratensioni transitorie ISO 7673-3/IEC 61000-4-5

I primi parametri di cui lo sviluppatore dovrebbe tener conto sono V_RWM e V_BR. Dovrebbero essere tali per cui, durante il normale funzionamento, il diodo TVS presenta un'impedenza alta ma non abbastanza da impedire che inizi a condurre prima che il transceiver CAN sia sottoposto a una tensione pericolosamente alta. Tenere presente che, mentre gli impianti elettrici delle auto in genere funzionano con una batteria da 12 V, la maggior parte di essi sono progettati per l'accensione con un'alimentazione a 24 V in caso di emergenza. La scelta del diodo TVS dovrebbe tenerne conto.

Ad esempio, NU2105L di ON Semiconductor ha una V_RWM di 24 V e una V_BR di 26,2 V a 1 mA. Il protettore del bus CAN CDSOT23-T24CAN di Bourns, un doppio diodo TVS bidirezionale in un contenitore SOT-23, ha una specifica identica.

Lo sviluppatore dovrebbe poi controllare la capacità massima del diodo TVS. Una grande capacità compromette l'integrità del segnale. Più alta è la velocità di trasmissione dati, più bassa dovrebbe essere la capacità. La regola empirica stabilisce una capacità massima tra le linee di segnale e la terra di 100 pF a una velocità dati di 125 kbit/s e di 35 pF a 1 Mbit/s. Tenere presente che alcune schede tecniche esprimono la capacità a 0 V, mentre altre la esprimono alla tensione media dei transceiver CAN, che è di 2,5 V. Inoltre, la capacità dei due segnali differenziali deve essere abbinata per mantenere l'integrità dell'ampiezza dell'impulso nel segnale di uscita dell'amplificatore.

A 0 V e 1 Mbit/s, CDSOT23-T24CAN di Bourns, ad esempio, ha una capacità di 22 pF tra la linea di segnale e la terra. UCLAMP2492SQTCT di Semtech, un contenitore SOT-23 di due diodi TVS bidirezionali progettato espressamente per l'immunità ai picchi transitori del bus CAN, ha una capacità di 15 pF (a 0 V e 1 Mbit/s) tra le linee di segnale e la terra.

Per massimizzare l'efficienza del sistema è logico scegliere un dispositivo con bassa corrente di dispersione inversa (I_R). Tenere presente che I_R aumenta con l'aumentare della temperatura, per cui al momento di scegliere un dispositivo occorre considerare le condizioni operative. NUP2105L, ad esempio, ha una I_R di 0,1 µA a 25 °C, mentre il dispositivo UCLAMP2492SQTCT ha una I_R di 0,2 µA a 25 °C e di 0,35 µA a 125 °C.

Infine, lo sviluppatore deve assicurarsi che il diodo TVS possa dissipare senza danni l'energia di un picco transitorio non ripetitivo, e che la tensione di tenuta all'impulso della corrente di picco dei transitori elettrici non danneggi il transceiver CAN.

IEC 61000-4-5, lo standard IEC che specifica come testare l'immunità ai picchi transitori, descrive in dettaglio la loro forma d'onda tipica utilizzata per determinare la capacità di un diodo TVS. La forma d'onda raggiunge il 90% del suo valore di picco in 8 µs e decade al 50% del valore di picco in 20 µs. Le schede tecniche spesso la chiamano "forma d'onda 8/20 µs" (Figura 5).

Figura 5: Esempio dei parametri della forma d'onda ("8/20 µs") specificati in IEC 61000-4-5 per testare l'immunità ai picchi transitori di un diodo TVS. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Nella Figura 6 viene mostrata la risposta del dispositivo TVS CDSOT23-T24CAN di Bourns a una forma d'onda 8/20 µs a 11 A. Il produttore indica una tensione massima di tenuta all'impulso di 36 V per un picco transitorio di 5 A e di 40 V per un picco di 8 A. I valori equivalenti per NUP2105L di ON Semiconductor sono 40 e 44 V con una dissipazione di potenza di picco di 350 W; per UCLAMP2492SQTCT di Semtech sono 44 V a 5 A.

Figura 6: Risposta di CDSOT23-T24CAN di Bourns a una forma d'onda 8/20 µs a 11 A. Notare la risposta rapida del contenitore di diodi TVS al transitorio di corrente e al picco di tensione di tenuta all'impulso di 36,4 V. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Dopo aver scelto i diodi TVS appropriati per il lavoro, lo sviluppatore deve valutare attentamente qual è la migliore disposizione della scheda per ottenere le massime prestazioni. Il requisito più importante è che i diodi TVS attivati da una sovratensione allontanino dal transceiver CAN le sovratensioni potenzialmente dannose e che queste vengano dissipate in sicurezza nel piano di massa.

Bourns, ad esempio, consiglia di posizionare il dispositivo SOT-23 il più vicino possibile al connettore bus con tracce corte alle linee di segnale. La società ritiene che una traccia di rame standard da 1 oncia di 10 mil sia più che sufficiente per gestire il livello di corrente di picco dei tipici transitori elettrici. Il pin di messa a terra del dispositivo deve essere collegato al piano di massa della PCB utilizzando una traccia corta e un foro di via. Infine, se c'è un piano di massa sul lato del segnale del diodo TVS vicino, il componente deve esservi collegato direttamente (Figura 7).

Figura 7: Layout consigliato della scheda per CDSOT23-T24CAN di Bourns. Il SOT-23 che alloggia i diodi TVS deve essere posizionato il più vicino possibile al connettore del bus CAN. (Immagine per gentile concessione di Bourns)

Conclusione

Le limitazioni di costo, spazio e peso restringono la gamma di soluzioni per proteggere i dispositivi bus CAN da eventi estremi come fulmini ed ESD. Tuttavia, i diodi TVS offrono un compromesso accettabile tra questi vincoli e le prestazioni di protezione. La chiave per un'implementazione di successo è un abbinamento attento delle caratteristiche elettriche del diodo TVS in funzione dell'applicazione per assicurare la protezione senza compromettere il normale funzionamento del bus CAN.

La recente introduzione di soluzioni compatte (SOT-23) progettate appositamente per le applicazioni automotive CAN e l'integrazione di dispositivi TVS unidirezionali o bidirezionali, non solo facilitano la scelta dei componenti ma riducono anche la complessità di progettazione e i requisiti di spazio.

Riferimenti

1. Circuit Configuration Options for TVS Diodes, AND8231/D, ON Semiconductor, marzo 2017.
2. TVS Diode Selection Guidelines for the CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, agosto 2004.