非隔離CAN總線過壓保護電路的製作方法
2023-05-27 03:38:21 1
本發明涉及一種can總線過壓保護電路，尤其是一種非隔離can總線過壓保護電路。
背景技術：
can是controllerareanetwork的縮寫（以下稱為can），是iso國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中，出於對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由於這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。
為適應「減少線束的數量」、「通過多個lan，進行大量數據的高速通信」的需要，面向汽車的can通信協議被開發出，此後，can通過iso11898及iso11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。
can總線以其高性能和高可靠性，被廣泛應用於汽車和工業控制區域網，它實現了分布式控制系統各節點之間實時、可靠的數據通信。
對於提高can總線節點的可靠性而言，最常見的方法就是採用隔離收發器將總線和控制電路進行電氣隔離，將高壓幹擾阻隔在控制系統之外，有效地保證控制系統及人身安全。不僅如此，電氣隔離還可以有效防止形成地環路，抑制由接地電勢差、接地環路引起的各種共模幹擾，且共模電壓全部由隔離帶承受，保證總線在嚴重幹擾和其它系統級噪聲存在的情況下不間斷、無差錯運行。
但是電氣隔離在提高can總線可靠性的同時，還帶來了通訊迴路成本的大幅增加，無論是傳統的光電隔離還是比較先進的磁隔離，都是如此，所以對於一些低成本但又需要高可靠性的應用來說，隔離方案並不適用。
此外，為了滿足隔離電壓的絕緣要求，在pcb和產品布局中需要保證一定的爬電距離和空氣間隙，這又意味著產品體積的增加。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，在低成本非隔離can總線結構的基礎上增加了一些過壓保護電路，對於can總線信號上最常見的高壓幹擾和系統噪聲進行了去全面的抑制和保護，避免控制系統和總線收發器因遭受過壓幹擾或衝擊而導致通訊中斷甚至硬體損壞，大大提高了can總線通訊的可靠性。
本發明的目的通過以下技術方案來實現：
非隔離can總線過壓保護電路，包括can總線收發器及與其連接的高、低位總線信號線，還包括連接在所述can總線收發器和高、低位總線信號線之間的
匹配及濾波電路，用於各節點間的阻抗匹配及過濾共模的電磁幹擾；
以及，過壓保護電路，至少用於將總線共模電壓採樣後與參考電壓進行比對，並根據比對結果切斷或自恢復can總線收發器和高、低位總線信號線之間的總線信號傳輸。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述匹配及濾波電路包括共模電感、第一匹配電阻和第二匹配電阻，所述共模電感的2腳接高位總線信號線，其1腳接所述過壓保護電路及第一匹配電阻的一端，所述第一匹配電阻的另一端通過電容接地；所述共模電感的3腳接低位總線信號線，其4腳接所述過壓保護電路及第二匹配電阻的一端，所述第二匹配電阻的另一端通過所述電容接地。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述過壓保護電路包括二級保護電路，所述二級保護電路包括
過壓檢測電路，用於將總線共模電壓採樣後與參考電壓進行比對並輸出高或低電平；
及過壓關斷電路，用於根據所述過壓檢測電路輸出的低或高電平切斷或自恢復can總線收發器和高、低位總線信號線之間的總線信號傳輸。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述過壓檢測電路包括第一二極體、第二二極體、第一採樣電阻、第二採樣電阻、比較器及參考電壓，所述第一二極體和第二二極體的陽極分別接所述共模電感的1腳及4腳，它們的陰極分別通過串聯的第一採樣電阻及第二採樣電阻接地，所述第一採樣電阻和第二採樣電阻的連接端接所述比機器的反向輸入端，所述比較器的正向輸入端接所述參考電壓，所述比較器的輸出端通過電阻接5v電源端以及輸出高或低電平信號給所述過壓關斷電路。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述比機器的輸出端還連接處理器，並向其發送過壓報警信號。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述過壓關斷電路包括第一mos管、第二mos管、第一柵極電阻、第二柵極電阻、第一穩壓二極體及第二穩壓管，所述第一mos管和第二mos管的漏極分別接所述共模電感的1腳和4腳，它們的源極分別接所述can總線收發器的canh引腳和canl引腳，它們的柵極分別接第一柵極電阻及第二柵極電阻的一端，所述第一柵極電阻和第二柵極電阻的另一端均連接所述比較器的輸出端，且所述第一mos管的源極和柵極之間連接所述第一穩壓二極體,所述第二mos管的源極和柵極之間分別連接所述第二穩壓二極體。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述第一mos管和第二mos管是小功率n溝通mos管。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述過壓保護電路還包括一級吸收電路，所述一級吸收電路包括兩條將總線共模電壓鉗位於設定電壓的tvs管鉗位電路，每個所述tvs管鉗位電路包括tvs管、rc並聯電路，一個所述tvs管的一端接所述共模電感的1腳，另一個tvs管的一端接共模電感的4腳，它們的另一端串接rc並聯電路後接入參考地。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述tvs管的鉗位電壓小於所述參考電壓小於所述can總線收發器的最大耐受總線電平。
優選的，所述的非隔離can總線過壓保護電路，其中：所述非隔離can總線過壓保護電路至少應用於低壓電動汽車電機控制器的can總線通訊模塊。
本發明技術方案的優點主要體現在：
本發明設計精巧，電路簡單，通過匹配及濾波電路進行各節點間的阻抗匹配及過濾共模的電磁幹擾，結合二級過壓保護電路，在總線出現長時間過壓或大能量衝擊時，將can總線收發器從總線上斷開，避免其損壞，送二對後續控制電路進行保護，無需採用can總線電氣隔離（光電隔離或者磁隔離）方案，實現了對can總線收發器及後續電路的非隔離過壓保護，省去了隔離元件的成本，實現了低成本的can總線過壓保護方案，同時節省了隔離元件所需的安裝空間等，降低了pcb和產品布局的難度，有利於減小產品的體積。
本發明進一步結合一級吸收電路，對於瞬間小能量衝擊有很快的響應速度和一定的吸收能力，兩級過壓保護措施，分別針對瞬間小能量衝擊和長時間大能量過壓提供了具有針對性的吸收和保護電路，保護更為全面和有效，可靠性更佳，並且都具有自恢復功能，具有一定的自適應性。
通過對第一mos管和第二mos管的優選，減小有利於總線信號的衰減。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是本發明的電路圖。
具體實施方式
本發明的目的、優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋。這些實施例僅是應用本發明技術方案的典型範例，凡採取等同替換或者等效變換而形成的技術方案，均落在本發明要求保護的範圍之內。
本發明揭示了非隔離can總線過壓保護電路，至少應用於低壓電動汽車電機控制器的can總線通訊模塊，如附圖1、附圖2所示，所述非隔離can總線過壓保護電路包括can總線收發器u2及與其連接的高位總線信號線can_h、低位總線信號線can_l，所述can總線收發器u2的vcc引腳接5v電源端+5v，其vref引腳為空，其rxd引腳和txd引腳接控制端的can_rxd端和can_txd端，其gnd引腳和s引腳接地，其can引腳和canl引腳和高、低位總線信號線can_h、can_l之間還連接有匹配及濾波電路1，用於各節點間的阻抗匹配及過濾共模的電磁幹擾；
以及，過壓保護電路2，至少用於將總線共模電壓採樣後與參考電壓進行比對，並根據比對結果切斷或自恢復can總線收發器u2和高、低位總線信號線can_h、can_l之間的總線信號傳輸。其中，所述總線共模電壓是指高位總線信號線can_h端相對於參考地的電壓以及低位總線信號線can_l端相對於參考地的電壓，而總線差模電壓是指高位總線信號線can_h端相對於低位總線信號線can_l端的壓差。
具體來說，如附圖2所示，所述匹配及濾波電路1包括最靠近總線出口的共模電感l1、第一匹配電阻r3和第二匹配電阻r4，所述共模電感l1用於過濾共模的電磁幹擾信號，並且抑制高速信號產生的電磁輻射向外發射，所述第一匹配電阻r3和第二匹配電阻r4用於各節點間的阻抗匹配，所述共模電感l1的2腳接高位總線信號線can_h，其1腳接所述過壓保護電路2及第一匹配電阻r3的一端，所述第一匹配電阻r3的另一端通過電容c3接地；所述共模電感l1的3腳接低位總線信號線can_l，其4腳接所述過壓保護電路2及第二匹配電阻r4的一端，所述第二匹配電阻的另一端通過所述電容c3接地。
如附圖1、附圖2所示，所述過壓保護電路2包括一級吸收電路22，所述一級吸收電路22用於將總線共模電壓鉗位在設定電壓，其包括兩條將總線共模電壓鉗位於設定電壓的tvs管鉗位電路，每個所述tvs管鉗位電路包括一tvs管及rc並聯電路，所述tvs管d1的一端接所述共模電感l1的1腳，所述tvs管d1的另一端串接由電阻r1和電容c1構成的rc並聯電路後接入參考地，所述tvs管d2的一端接共模電感l1的4腳，所述tvs管d2的另一端串接由電阻r2和電容c2構成的rc並聯電路後接入參考地。
其中所述tvs管d1、d2的鉗位電壓應比總線收發器的耐受電壓略低一點，例如，若總線收發器所能承受的最高總線電壓為15v，則應選擇鉗位電壓為12v左右的tvs管，從而有效保護總線收發器。
之所以設置所述一級吸收電路，是因為can總線電平狀態分為顯性和隱性，其中顯性電平時can_h=3.5v，can_l=1.5v；隱性電平時can_h=can_l=2.5v，所以常見的can總線信號共模電壓應不超過5v，雖然主流的can總線收發器所能耐受的總線電平都要比高很多，最低的也能承受12v，最高甚至到40v，其中所述can總線收發器的最大耐受總線電平是指can總線收發器所能承受的最大總線共模電壓，即can總線收發器的canh引腳和canl引腳所能承受的最大電壓。
但是，由於存在瞬態高壓尖峰脈衝衝擊，因此需要充分利用tvs管具有極快響應速度（亞納秒級）這個特點，當總線共模電壓高於tvs管的鉗位電壓時，它能以極快的速度將超過鉗位電壓的部分吸收掉，並把電壓就鉗制在鉗位電壓上，從而起到保護can總線收發器的和後端控制電路的作用。
雖然所述一級吸收電路對總線上出現的瞬間小能量衝擊和幹擾有很好的抑制作用，但是對於總線上出現的長時間過壓或者大能量衝擊卻沒有太大的效果，此時就需要另外的電路來進行保護，對應的所述過壓保護電路2還包括二級保護電路21。
詳細來說，如附圖1、附圖2所示，所述二級保護電路包括21
過壓檢測電路211，用於將總線共模電壓採樣後與參考電壓進行比對並輸出高或低電平；
及過壓關斷電路212，用於根據所述過壓檢測電路211輸出的低或高電平切斷或自恢復can總線收發器u2和高、低位總線信號線can_h、低can_l之間的總線信號傳輸。
所述過壓檢測電路211包括第一二極體d3、第二二極體d4、第一採樣電阻r5、第二採樣電阻r6、比較器u1及參考電壓，所述第一二極體d3和第二二極體d4的陽極分別接所述共模電感l1的1腳及4腳，它們的陰極分別通過串聯的第一採樣電阻r5及第二採樣電阻r6接地，所述第一採樣電阻和第二採樣電阻的連接端接所述比機器u1的反向輸入端，所述比較器u1的正向輸入端接所述參考電壓，所述參考電壓可以根據實際需要進行設置，例如2v，3.3v，5v等，所述比較器u1的輸出端通過電阻r9接5v電源端+5v以及輸出高或低電平信號給所述過壓關斷電路212，並且所述比機器u1的輸出端還連接處理器，並向其發送過壓報警信號。
其中，所述第一二極體d3和第二二極體d4將總線共模電壓引入由第一採樣電阻r5和第二採樣電阻r6組成的採樣電路，生產一電壓信號輸送給所述比較器u1，所述比較器u1與預先設定的參考電壓進行電壓比較。
通過改變採樣電阻r5和r6的阻值可以調整總線過壓關斷的門限電壓，一般這個限值要比過壓吸收電路中tvs管的鉗位電壓稍高，但小於所述can總線收發器的最大耐受總線電平。
當總線共模電壓在額定範圍內時，即小於參考電壓時，所述比較器u1輸出為高電平；但如果總線電壓超過設定的門限電壓，即大於參考電壓時，所述比較器u1就會輸出低電平的總線關斷信號給過壓關斷電路，並同時產生總線過壓報警信號給處理器做相應的軟體處理。
進一步，所述過壓關斷電路212包括第一mos管q1、第二mos管q2、第一柵極電阻r7、第二柵極電阻r8、第一穩壓二極體d5及第二穩壓管d6，所述第一mos管q1和第二mos管q2的漏極分別接所述共模電感的1腳和4腳，它們的源極分別接所述can總線收發器u2的canh引腳和canl引腳，它們的柵極分別接第一柵極電阻r7及第二柵極電阻r8的一端，所述第一柵極電阻r7和第二柵極電阻r8的另一端均連接所述比較器u1的輸出端，且所述第一mos管q1的源極和柵極之間連接所述第一穩壓二極體d5,所述第二mos管q2的源極和柵極之間分別連接所述第二穩壓二極體d6。
所述第一mos管q1、第二mos管q2採用小功率n溝道mos管作為總線信號傳輸開關，這樣，在開通時，讓所述第一mos管q1、第二mos管q2工作在非完全導通狀態，也就是柵源極電壓vgs稍微低一點，漏極電流id也會小一點，從而使柵源極電壓vds最多只有零點幾伏的壓降，保證總線信號的衰減很小，所述第一柵極電阻r7和第二柵極電阻r8用於限制第一mos管q1、第二mos管q2的柵極電流，所述第一穩壓二極體d5和第二穩壓二極體d6用於限制第一mos管q1、第二mos管q2的柵源極電壓。
當can總線電平出現長時間過壓時，所述過壓檢測電路211輸出低電平，此時所述第一mos管q1、第二mos管q2就會關斷，從而切斷所述can總線收發器u2和高、低位總線信號線can_h、can_l之間的總線信號傳輸，該節點的can總線收發器從can總線結構中斷開，避免遭受總線上過壓衝擊，直至所述過壓檢測電路211檢測總線共模電壓再次回到額定範圍內，即小於參考電壓時，所述比較器輸出為高電平，所述第一mos管q1、第二mos管q2再次開通，所述can總線收發器u2和高、低位總線信號線can_h、can_l之間的總線信號傳輸恢復正常傳輸。
本發明尚有多種實施方式，凡採用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。