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Une conception avec protection par diode TVS améliore la fiabilité du bus CAN

Par Steven Keeping

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Le bus CAN (Controller Area Network), norme de bus très répandue dans l'automobile et d'autres applications, présente un degré élevé d'immunité intégrée aux surtensions et aux surintensités. Cependant, avec jusqu'à 70 calculateurs (ECU) dans le réseau électronique d'un véhicule haut de gamme, les concepteurs s'intéressent de plus en plus à la prévention des dommages dus aux transitoires électriques comme ceux causés par la foudre et les décharges électrostatiques (DES). Une telle sensibilité augmente les risques de défaillances et peut nuire à la fiabilité du véhicule.

Bien qu'il existe de nombreux dispositifs de suppression de tension transitoire (TVS), les applications automobiles sont généralement soumises à des contraintes strictes en matière de coût, de poids et de fiabilité. Ces restrictions éliminent bon nombre des principaux dispositifs TVS les plus complexes. Cependant, les fabricants ont récemment lancé des versions de grade automobile de la modeste diode TVS, pour une option de protection de circuit peu coûteuse, compacte et extrêmement fiable. De plus, contrairement à certaines alternatives, les diodes TVS renforcent l'immunité au bruit des émetteurs-récepteurs CAN et ont un impact négligeable sur l'intégrité des signaux de communication haute fréquence.

Cet article explique comment les diodes TVS peuvent fournir un niveau de protection à la fois élevé et économique pour les implémentations de bus CAN sensibles. Il explique également les raisons pour lesquelles il est important non seulement de choisir un dispositif de grade automobile, mais aussi de bien prendre en compte la tension et le courant de crête, la capacité, le courant de fuite et la tension de blocage afin de protéger intégralement les calculateurs et les émetteurs-récepteurs CAN sensibles. L'article présente ensuite des solutions TVS appropriées de Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns et Semtech, et explique comment les appliquer correctement.

Présentation de la technologie CAN

La technologie CAN a été conçue pour répondre au besoin d'ajouter plus de composants électroniques aux véhicules sans accroître la complexité et le poids du faisceau de fils. La norme CAN spécifie un réseau pair à pair robuste prenant en charge plusieurs couches physiques (PHY), mais la couche PHY la plus courante est la version haut débit (une implémentation à deux fils permettant des débits de données brutes allant jusqu'à 1 Mbit/s). Le réseau permet une communication entre plusieurs dispositifs CAN comme des calculateurs. Les calculateurs connectés ne requièrent qu'une seule interface CAN (plutôt que plusieurs entrées/sorties analogiques et numériques) pour se connecter à tous les autres dispositifs du réseau, éliminant ainsi le câblage complexe et coûteux.

Un schéma différentiel de bus CAN (CAN H/CAN L) typique comprend des émetteurs-récepteurs qui communiquent sur un bus série. Un câble à paire torsadée avec une impédance caractéristique nominale de 120 Ω est utilisé pour transmettre le signal entre les nœuds du bus. Une topographie à terminaison divisée est souvent utilisée pour améliorer l'immunité aux interférences électromagnétiques (EMI) (Figure 1).

Schéma d'un bus CAN avec communication différentielle

Figure 1 : Ce bus CAN utilise un schéma de communication différentielle permettant aux émetteurs-récepteurs de communiquer de manière fiable via un bus série. (Source de l'image : Bourns)

Bien que les calculateurs et les émetteurs-récepteurs CAN comprennent du silicium intrinsèquement fragile, ils doivent être capables de résister à des conditions de fonctionnement difficiles. Par exemple, la plupart des constructeurs automobiles exigent la qualification AEC-Q100, un test de résistance aux mécanismes de défaillance pour les composants électroniques des véhicules. Les principaux constructeurs automobiles exigent également une conformité aux normes internationales récentes (ISO 7637 et CEI 61000-4-5). Ces normes spécifient les transitoires électriques de test conçus pour simuler les perturbations électriques dues à la conduction et au couplage pendant le fonctionnement du véhicule.

Les offres de certains fournisseurs de puces répondent à ces spécifications. Par exemple, l'émetteur-récepteur CAN SN65HVD1050DRG4 de Texas Instruments offre une protection contre les fils croisés, les surtensions et les pertes de terre de -27 V à 40 V, et l'arrêt en cas de surchauffe. La puce peut également résister aux transitoires de -200 V à 200 V définis dans la norme ISO 7637.

L'un des inconvénients d'un dispositif à hautes spécifications est le coût, élément critique lors de la conception d'un véhicule. Deuxièmement, bien qu'un dispositif renforcé puisse résister aux transitoires électriques pendant un certain temps, une exposition répétée risque de l'endommager. Troisièmement, la foudre et les décharges électrostatiques peuvent exposer les composants électroniques du véhicule à des tensions et des courants supérieurs à ceux exigés pour la conformité à certaines normes. Une protection supplémentaire, grâce à laquelle les transitoires électriques sont détournés vers la terre et par conséquent éloignés du silicium sensible, peut valoir la peine pour les constructeurs automobiles qui cherchent une plus grande fiabilité.

Suppression de tension transitoire à l'aide de diodes

Il existe plusieurs techniques établies pour implémenter une protection contre les transitoires électriques. Elles se classent généralement comme suit : blocage, suppression ou isolement. Pour résumer simplement, le blocage utilise des fusibles et des disjoncteurs, la suppression utilise des dispositifs TVS comme des diodes TVS et des varistances à oxyde métallique (MOV), et l'isolement utilise des dispositifs isolants comme des photocoupleurs et des transformateurs.

Le blocage est efficace et peu coûteux. L'inconvénient est qu'une fois que les dispositifs se sont déclenchés, ils doivent être remplacés ou réinitialisés, ce qui n'est pas pratique dans les applications automobiles. De l'autre côté de la balance, les dispositifs d'isolement sont totalement efficaces et ne nécessitent pas de remplacement ni de réinitialisation, mais ils sont volumineux, complexes et coûteux. Entre les deux, les dispositifs TVS offrent un bon équilibre. Ils sont généralement efficaces, compacts et disponibles à prix moyen.

Il existe différents types de dispositifs TVS : les diodes TVS (et les matrices de diodes TVS), les varistances à oxyde métallique et les dispositifs de suppression de courant transitoire propriétaires. Bien que les diodes TVS ne soient pas les dispositifs TVS les plus performants, elles sont économiques et robustes (en particulier lorsqu'elles sont associées à des nœuds CAN conformes aux normes AEC-Q100 et ISO 7637), ce qui en fait un bon choix pour la protection des circuits dans les applications automobiles présentant des contraintes de coût et d'espace.

Une diode TVS est un dispositif p-n spécialement conçu avec une grande section transversale de raccordement pour absorber les courants transitoires électriques élevés. Même si la caractéristique de tension/courant d'une diode TVS est similaire à celle d'une diode Zener, les diodes TVS sont conçues pour la suppression de tension plutôt que pour la régulation de tension. Avantage clé d'une diode TVS : sa réponse rapide (généralement en quelques nanosecondes) aux transitoires électriques (dérivation en toute sécurité de l'énergie du transitoire vers la terre tout en maintenant une tension de blocage constante) par rapport à d'autres dispositifs de suppression.

En théorie, le mécanisme de protection est simple. Dans des conditions de fonctionnement normales, la diode TVS présente une impédance élevée pour le circuit protégé, mais lorsque la tension de fonctionnement sûre du circuit protégé est dépassée, la diode TVS fonctionne en mode avalanche, acheminant le courant transitoire jusqu'à la terre avec une faible impédance. La tension maximum à laquelle le circuit protégé est soumis est généralement modeste et limitée à la tension de blocage de la diode. Le dispositif TVS revient à une impédance élevée une fois que le courant transitoire électrique diminue (Figure 2).

Schéma d'une diode TVS protégeant un circuit en acheminant le courant transitoire jusqu'à la terre

Figure 2 : Les diodes TVS protègent les circuits en acheminant les transitoires électriques jusqu'à la terre tout en maintenant les tensions à des niveaux sûrs. (Source de l'image : Semtech)

En pratique, le circuit de protection pour les implémentations CAN est plus complexe, car le réseau fournit non seulement de l'énergie, mais également des données, acheminées via un schéma de signalisation différentiel.

Sélection de diodes TVS pour applications CAN

Il existe deux types de diodes TVS : unidirectionnelles et bidirectionnelles. Bien que chacune offre une protection contre les surtensions positives et négatives, la différence majeure concerne la tension de claquage (la tension à laquelle le dispositif commence une conduction en mode avalanche et présente donc une faible impédance). Le dispositif bidirectionnel offre la même tension de claquage dans les deux sens, tandis que le dispositif unidirectionnel a une tension de claquage beaucoup plus faible (égale à la tension de polarisation directe de la diode) pour les pointes de tension transitoires négatives.

Bien que des dispositifs unidirectionnels et bidirectionnels puissent être utilisés pour la même application, il existe certaines applications où les différentes caractéristiques de tension de claquage offrent un avantage. Par exemple, si l'émetteur-récepteur CAN dessert un circuit intégré logique numérique, la faible tension de claquage de la diode TVS unidirectionnelle en cas de surtensions négatives offre une protection supérieure.

Les dispositifs TVS bidirectionnels offrent notamment l'avantage de résoudre le problème de tension de décalage de mode commun. Cela se produit car les émetteurs-récepteurs CAN doivent pouvoir fonctionner avec une tension de ligne de signaux pouvant être décalée jusqu'à 2,0 V par rapport au niveau de tension nominal. Étant donné que les dispositifs TVS bidirectionnels présentent une tension de blocage élevée dans les deux sens (positif et négatif), ils ne se bloquent pas en cas de décalage de la ligne de signaux. De plus, les diodes TVS bidirectionnelles peuvent être utilisées en remplacement direct des varistances à oxyde métallique intrinsèquement bidirectionnelles.

Il existe plusieurs topologies alternatives pour la protection des bus CAN. La plus simple utilise une configuration à diodes TVS comprenant deux diodes bidirectionnelles, l'une sur la ligne reliant CAN_H (ou DATA_H) à la terre et l'autre sur la ligne reliant CAN_L (ou DATA_L) à la terre. L'autre configuration remplace les diodes TVS bidirectionnelles par des dispositifs unidirectionnels (Figure 3).

Schéma de diodes TVS bidirectionnelles (à gauche) ou unidirectionnelles (à droite)

Figure 3 : Selon l'application, vous pouvez utiliser des diodes TVS bidirectionnelles (à gauche) ou unidirectionnelles (à droite). Les fabricants proposent souvent des solutions intégrant les deux diodes dans un même boîtier. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Il est possible d'utiliser des diodes TVS individuelles pour protéger chaque ligne de données CAN, mais de nombreux fabricants proposent des boîtiers intégrant les deux diodes dans un seul boîtier. Par exemple, ON Semiconductor propose la diode TVS NUP2105LT1G qui fournit une protection bidirectionnelle pour chaque ligne de données CAN dans un seul boîtier compact SOT-23. Le dispositif peut gérer une dissipation de puissance de crête de 350 W. Le NUP1105LT1G est l'équivalent unidirectionnel.

Une fois que le concepteur a défini une topologie, les performances du circuit sont déterminées en choisissant soigneusement une diode TVS avec des caractéristiques de fonctionnement qui correspondent aux besoins de l'application.

Les paramètres clés des diodes TVS bidirectionnelles incluent les suivants :

  • Tension de fonctionnement inverse (VRWM) : tension de fonctionnement CC maximum. À cette tension, la diode est dans un état non conducteur et agit comme un condensateur à haute impédance.
  • Tension de claquage inverse (VBR) : point (généralement mesuré à 1 mA) où le dispositif commence une conduction en mode avalanche et passe à un niveau d'impédance faible.
  • Courant d'impulsion de crête (IPP) : courant de pointe maximum spécifié pour le dispositif.
  • Tension de blocage maximum (VC) : chute de tension maximum au niveau de la diode à IPP.
  • Courant de fuite inverse (IR) : courant mesuré à VRWM.
  • Courant de test (IT) : courant à VBR (Figure 4).

Schéma de la caractéristique tension/courant pour les diodes TVS bidirectionnelles

Figure 4 : Caractéristique tension/courant pour les diodes TVS bidirectionnelles illustrant les paramètres clés du dispositif. (Source de l'image : ON Semiconductor)

La spécification CAN détaille les caractéristiques critiques de l'émetteur-récepteur, qui à leur tour déterminent les caractéristiques des diodes TVS sélectionnées pour assurer la protection contre les transitoires électriques. Les paramètres clés incluent les suivants :

  • Tension de bus min./max. de -3,0 V/16 V (système 12 V)
  • Tension de bus de mode commun CAN_L min./nom. de -2,0 V/2,5 V
  • Tension de bus de mode commun CAN_H nom./max. de 2,5 V/7,0 V
  • DES recommandée ≥ ±8,0 kV (contact)
  • Immunité aux impulsions de courant de pointe ISO 7673-3/CEI 61000-4-5

Les premiers paramètres que le développeur doit prendre en compte sont VRWM et VBR. Ceux-ci doivent être suffisants pour que la diode TVS présente, en fonctionnement normal, une impédance élevée, mais pas trop (pour éviter que le dispositif ne commence une conduction que lorsque l'émetteur-récepteur CAN a été soumis à une tension dangereusement élevée). Notez que bien que les systèmes électriques automobiles fonctionnent généralement avec une batterie de 12 V, la plupart sont conçus pour être démarrés avec une alimentation de 24 V en cas d'urgence. Ce point doit être pris en compte pour le choix de la diode TVS.

Par exemple, le dispositif NU2105L d'ON Semiconductor présente une tension VRWM de 24 V et une tension VBR de 26,2 V à 1 mA. Le protecteur de bus CAN CDSOT23-T24CAN de Bourns, qui est une diode TVS bidirectionnelle double dans un boîtier SOT-23, présente une spécification identique.

Ensuite, le développeur doit vérifier la capacité maximale de la diode TVS. Une capacité élevée peut nuire à l'intégrité des signaux. Plus le débit de données est rapide, plus la capacité doit être faible. En règle générale, la capacité maximum entre les lignes de signaux et la terre est de 100 pF à un débit de données de 125 kbit/s, et de 35 pF à 1 Mbit/s. Notez que certaines fiches techniques expriment la capacité à 0 V, tandis que d'autres l'expriment à la tension moyenne des émetteurs-récepteurs CAN, soit 2,5 V. De plus, la capacité des deux signaux différentiels doit être adaptée pour maintenir l'intégrité de la largeur d'impulsion au niveau du signal de sortie de l'amplificateur.

À 0 V et 1 Mbit/s, le CDSOT23-T24CAN de Bourns, par exemple, a une capacité de 22 pF entre la ligne de signaux et la terre. L'UCLAMP2492SQTCT de Semtech, qui est un boîtier SOT-23 contenant deux diodes TVS bidirectionnelles et qui est spécialement conçu pour l'immunité aux surtensions du bus CAN, offre une capacité de 15 pF (à 0 V et 1 Mbit/s) entre les lignes de signaux et la terre.

Il est également judicieux de choisir un dispositif avec un faible courant de fuite inverse (IR) afin d'optimiser le rendement du système. Notez que la valeur IR augmente avec la température. Les conditions de fonctionnement doivent donc être prises en compte lors de la sélection du dispositif. Par exemple, le NUP2105L présente une valeur IR de 0,1 µA à 25°C, tandis que l'UCLAMP2492SQTCT présente une valeur IR de 0,2 µA à 25°C et de 0,35 µA à 125°C.

Enfin, le développeur doit s'assurer que la diode TVS peut dissiper l'énergie d'une surtension transitoire électrique non répétitive sans entraîner de dommages et que la tension de blocage au courant transitoire électrique de crête n'endommage pas l'émetteur-récepteur CAN.

La norme CEI 61000-4-5, qui spécifie comment tester l'immunité aux surtensions, détaille la forme d'onde de surtension typique utilisée pour déterminer la tenue d'une diode TVS. La forme d'onde atteint 90 % de sa valeur de crête en 8 µs et retombe à 50 % de la valeur de crête en 20 µs. Les fiches techniques appellent souvent cela la « forme d'onde 8/20 µs » (Figure 5).

Graphique d'exemple des paramètres de forme d'onde (« 8/20 µs »)

Figure 5 : Exemple de paramètres de forme d'onde (« 8/20 µs ») spécifiés dans la norme CEI 61000-4-5 pour tester l'immunité aux surtensions d'une diode TVS. (Source de l'image : Bourns)

La réponse du dispositif TVS CDSOT23-T24CAN de Bourns à une forme d'onde 8/20 µs de 11 A est illustrée à la Figure 6. Le fabricant cite une tension de blocage maximum de 36 V pour une pointe de 5 A et de 40 V pour une pointe de 8 A. Les valeurs équivalentes pour le NUP2105L d'ON Semiconductor sont de 40 et 44 V avec une dissipation de puissance de crête de 350 W, et de 44 V à 5 A pour l'UCLAMP2492SQTCT de Semtech.

Graphique de la réponse du CDSOT23-T24CAN de Bourns à une forme d'onde 8/20 µs de 11 A

Figure 6 : Réponse du CDSOT23-T24CAN de Bourns à une forme d'onde 8/20 µs de 11 A. Notez la réponse rapide du boîtier de diodes TVS au transitoire de courant de pointe et au pic de tension de blocage de 36,4 V. (Source de l'image : Bourns)

Une fois que le développeur a sélectionné les diodes TVS adaptées à l'application, il convient d'étudier la meilleure disposition de la carte à circuit imprimé pour optimiser les performances. Le principe fondamental est qu'après activation par une surtension, les pointes potentiellement néfastes sont éloignées de l'émetteur-récepteur CAN par la ou les diodes TVS, puis dissipées en toute sécurité dans le plan de masse.

Par exemple, Bourns conseille de placer le dispositif SOT-23 aussi près que possible du connecteur de bus, avec des pistes courtes vers les lignes de signaux. La société explique qu'une piste en cuivre standard de 10 mil, 1 once est largement suffisante pour gérer le niveau de courant de crête des transitoires électriques typiques. La broche de masse du dispositif doit être reliée au plan de masse du circuit imprimé à l'aide d'une piste courte et d'une traversée. Enfin, s'il existe un plan de masse du côté signal de la diode TVS, le composant doit être relié directement au plan de masse (Figure 7).

Schéma de la disposition recommandée du circuit imprimé pour le CDSOT23-T24CAN de Bourns

Figure 7 : Disposition recommandée de la carte à circuit imprimé pour le CDSOT23-T24CAN de Bourns. Le boîtier SOT-23 contenant les diodes TVS doit être placé aussi près que possible du connecteur de bus CAN. (Source de l'image : Bourns)

Conclusion

Les restrictions en termes de coût, d'espace et de poids limitent le nombre de solutions permettant de protéger les bus CAN contre les événements extrêmes comme la foudre et les décharges électrostatiques (DES). Cependant, les diodes TVS offrent un compromis acceptable entre ces contraintes et les performances de protection. La clé d'une implémentation réussie réside dans l'adaptation minutieuse des caractéristiques électriques de la diode TVS à l'application, pour que la protection soit assurée sans compromettre le fonctionnement normal du bus CAN.

Le récent lancement de solutions compactes (SOT-23) spécialement conçues pour les applications automobiles CAN et intégrant des dispositifs TVS unidirectionnels ou bidirectionnels facilite non seulement la sélection des composants, mais réduit également la complexité de la conception et les exigences en termes d'espace.

Références

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

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