El diseño en la protección con diodos de TVS mejora la confiabilidad del bus de CAN

El bus de CAN (red de zona de controlador), un estándar de bus popular para aplicaciones automotrices y de otro tipo, tiene un alto grado de inmunidad integrada contra sobretensiones y sobrecorrientes. Sin embargo, con hasta 70 ECU (unidades de control electrónico) como parte de la red electrónica de un vehículo de alta gama, los diseñadores se preocupan cada vez más por la prevención de daños por transitorios eléctricos como los causados por rayos y ESD (descarga electrostática). Dicha sensibilidad aumenta el riesgo de falla y amenaza con socavar la confiabilidad del vehículo.

Si bien hay muchos dispositivos de TVS (supresión de voltaje transitorio) disponibles, las aplicaciones automotrices generalmente se ven limitadas por estrictas especificaciones de costo, peso y confiabilidad. Estas restricciones eliminan muchos de los dispositivos de TVS más grandes y complejos. Sin embargo, recientemente, los fabricantes introdujeron versiones de grado automotriz del modesto diodo de TVS que ofrecen una opción de protección de circuitos económica, compacta y altamente confiable. Además, a diferencia de algunas alternativas, los diodos de TVS aumentan la inmunidad al ruido de los transceptores de CAN y tienen un impacto insignificante en la integridad de la señal de comunicación de alta frecuencia.

Este artículo describe cómo los diodos de TVS pueden proporcionar un alto nivel de protección económica para implementaciones de bus de CAN sensibles. El artículo explicará por qué es importante seleccionar no solo un dispositivo de grado automotriz, sino también considerar cuidadosamente el voltaje y la corriente máximos, la capacitancia, la corriente de fuga y el voltaje de sujeción para proteger por completo los transceptores de CAN y las ECU sensibles. El artículo luego presentará soluciones de TVS adecuadas de Texas Instruments, ON Semiconductor, Bourns y Semtech, y explicará cómo aplicarlas correctamente.

Una introducción a la CAN

La CAN nació de la necesidad de agregar más electrónica a los vehículos sin multiplicar la complejidad y el peso del arnés de cableado. El estándar de la CAN especifica una robusta red de igual a igual que admite varias PHY (capa física), pero la PHY más común es la versión de alta velocidad (una implementación de dos cables que permite velocidades de datos sin procesar de hasta 1 megabit por segundo [Mbit/s]). La red permite la comunicación entre múltiples dispositivos de CAN, como las ECU. Las ECU conectadas solo requieren una única interfaz de CAN (en lugar de múltiples E/S analógicas y digitales) para conectarse a todos los demás dispositivos de la red, lo que elimina el cableado complejo y costoso.

Un esquema típico de diferencial de bus de CAN (CAN H/ CAN L) comprende transceptores que se comunican en un bus serial. Se utiliza un cable de par trenzado con una impedancia característica nominal de 120 ohmios (Ω) para transmitir la señal entre los nodos del bus. Una topografía de terminación dividida se usa a menudo para mejorar la EMI (inmunidad de interferencia electromagnética) (Figura 1).

Figura 1: El bus de CAN utiliza un esquema de comunicación diferencial que permite a los transceptores comunicarse de manera confiable a través de un bus serial. (Fuente de la imagen: Bourns)

Si bien las ECU y los transceptores de CAN contienen silicio inherentemente frágil, se espera que soporten condiciones operativas difíciles. Por ejemplo, la mayoría de los fabricantes de vehículos exigen la calificación AEC-Q100, una prueba de tensión basada en mecanismos de fallo para la electrónica del vehículo. Los principales fabricantes de automóviles también requieren el cumplimiento de las normas internacionales recientes (ISO 7637 e IEC 61000-4-5). Estas normas especifican transitorios eléctricos de prueba diseñados para simular las perturbaciones eléctricas de la conducción y del acoplamiento durante la operación del vehículo.

Algunas ofertas de los proveedores de chips cumplen con estas especificaciones. El transceptor de CAN SN65HVD1050DRG4 de Texas Instruments, por ejemplo, cuenta con protección contra cables cruzados, sobretensión y pérdida de tierra de -27 voltios a 40 voltios y apagado por sobretemperatura. El chip también puede soportar los transitorios de -200 voltios a 200 voltios definidos en la ISO 7637.

Una de las desventajas de los dispositivos de alta especificación es el costo, una consideración crítica durante el diseño del vehículo. En segundo lugar, si bien un dispositivo endurecido podría soportar transitorios eléctricos durante un período de tiempo, la exposición repetida puede provocar daños. Tercero, los rayos y las ESD pueden exponer la electrónica del automóvil a voltajes y corrientes superiores a las exigidas para el cumplimiento de algunas normas. La protección adicional, por la cual los transitorios eléctricos se desvían a tierra y, por lo tanto, se alejan del silicio sensible, vale la pena para los fabricantes de automóviles que buscan mayor confiabilidad.

Supresión de voltaje transitorio utilizando diodos

Existen varias técnicas establecidas para implementar la protección contra transitorios eléctricos. Estas pueden clasificarse generalmente como bloqueo, supresión o aislamiento. En términos simples, el bloqueo usa fusibles y disyuntores; la supresión emplea dispositivos de TVS como diodos de TVS y MOV (varistor de óxido metálico); y el aislamiento depende del empleo de dispositivos aisladores como optoacopladores y transformadores.

El bloqueo es efectivo y económico. La desventaja que presenta es que los dispositivos se deben reemplazar o restablecer después de que se activan, lo que es muy inconveniente en las aplicaciones automotrices. En el otro extremo de la escala, los dispositivos de aislamiento son completamente efectivos y no se tienen que reemplazar ni restablecer, pero son voluminosos, complejos y caros. Los dispositivos de TVS están en el medio. Generalmente son efectivos, compactos y de un rango de precio medio.

Existen diferentes tipos de dispositivos de TVS, como los diodos de TVS (y matrices de diodos TVS), los MOV y los dispositivos patentados de supresión de corriente transitoria. Si bien los diodos de TVS no son los dispositivos de TVS con el rendimiento más alto, son económicos y resistentes (especialmente cuando se combinan con los nodos de CAN que cumplen con las normas AEC-Q100 e ISO 7637), lo que los convierte en una buena opción para la protección de circuitos en las aplicaciones automotrices de espacio y costo limitados.

Un diodo de TVS es un dispositivo p-n diseñado específicamente con una gran sección transversal de conexión para absorber altas corrientes transitorias eléctricas. Si bien la característica de voltaje/corriente de un diodo de TVS es similar a la de un diodo Zener, los dispositivos se diseñaron para la supresión de voltaje en lugar de la regulación de voltaje. Una ventaja clave de un diodo de TVS es la rápida respuesta (típicamente en nanosegundos) a los transitorios eléctricos, que desvían la energía del transitorio de forma segura a tierra mientras mantienen un voltaje de sujeción constante, en comparación con otros dispositivos de supresión.

Teóricamente, el mecanismo de protección es sencillo. En condiciones normales de funcionamiento, el diodo de TVS presenta una alta impedancia al circuito protegido, pero cuando se excede el voltaje de operación seguro del circuito protegido, el diodo de TVS funciona en un modo de avalancha que proporciona un camino de baja impedancia a tierra para la corriente transitoria. El voltaje máximo al que está sujeto el circuito protegido es en general modesto y se limita al voltaje de sujeción del diodo. El dispositivo de TVS vuelve a un estado de alta impedancia después de que la corriente transitoria eléctrica disminuye (Figura 2).

Figura 2: Los diodos TVS protegen los circuitos proporcionando un camino a tierra para los transitorios eléctricos mientras los voltajes se sujetan a niveles seguros. (Fuente de la imagen: Semtech)

En la práctica, el sistema de circuitos de protección para implementaciones de CAN es más complejo porque la red no solo suministra energía sino también datos, que se transmiten a través de un esquema de señalización diferencial.

Selección de diodos de TVS para aplicaciones de CAN

Los diodos TVS están disponibles en dos tipos, unidireccional y bidireccional. Si bien cada uno proporciona protección para sobretensiones tanto positivas como negativas, la diferencia clave es el voltaje de ruptura (el voltaje al que el dispositivo comienza a conducir en modo de avalancha y, por lo tanto, muestra una baja impedancia). El dispositivo bidireccional ofrece el mismo voltaje de ruptura en ambas direcciones, mientras que el dispositivo unidireccional tiene un voltaje de ruptura mucho más bajo (igual al voltaje de polarización directo del diodo) para impulsos parásitos de voltaje transitorio negativos.

Si bien los dispositivos unidireccionales y bidireccionales se pueden usar para la misma aplicación, existen algunas aplicaciones en las que las diferentes características de voltaje de ruptura de cada uno proporcionan una ventaja. Por ejemplo, si el transceptor de CAN sirve para un IC lógico digital, el bajo voltaje de ruptura del diodo unidireccional de TVS a sobretensiones negativas ofrece una protección superior.

Una las ventajas clave de los dispositivos de TVS bidireccionales es que resuelven el problema del voltaje de desplazamiento en modo común. Esto ocurre porque los transceptores CAN deben poder funcionar con un voltaje de línea de señal que se pueda derivar hasta 2.0 voltios desde el nivel de voltaje nominal. Dado que presentan un gran voltaje de sujeción en direcciones positivas y negativas, los dispositivos TVS bidireccionales no se sujetarán debido a la influencia de un desplazamiento de la línea de señal. Además, los diodos TVS bidireccionales se pueden colocar como un reemplazo directo de los MOV inherentemente bidireccionales.

Existen varias topologías alternativas para la protección de bus de CAN. La más simple utiliza una disposición de diodos TVS que comprende dos diodos bidireccionales, uno a través de la línea y tierra CAN_H (o DATA_H) y otro a través de la línea y tierra CAN_L (o DATA_L). La disposición alternativa intercambia los diodos de TVS bidireccionales por dispositivos unidireccionales (Figura 3).

Figura 3: Dependiendo de la aplicación, ya sea bidireccional (izquierda) o unidireccional (derecha), se pueden usar diodos de TVS. Los fabricantes a menudo ofrecen soluciones que integran los dos diodos en un solo paquete. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Es posible utilizar diodos de TVS individuales para proteger cada línea de datos de CAN, pero muchos fabricantes ofrecen paquetes que integran ambos diodos. Por ejemplo, ON Semiconductor suministra el diodo de TVS NUP2105LT1G, que brinda protección bidireccional para cada línea de datos de CAN con un solo paquete compacto SOT-23. El dispositivo puede manejar una disipación de potencia máxima de 350 vatios. El NUP1105LT1G es el equivalente unidireccional.

Luego de que un diseñador opta por una topología, el rendimiento del circuito se determina mediante la selección cuidadosa de un diodo de TVS con características operativas que se ajusten a las necesidades de la aplicación.

Los parámetros clave del dispositivo de los diodos de TVS bidireccionales incluyen:

• Voltaje de funcionamiento inverso (V_RWM): Es el voltaje máximo de funcionamiento de CC. A este voltaje, el diodo se encuentra en un estado de no conducción y actúa como un condensador de alta impedancia.
• Voltaje de ruptura inversa (V_BR): Es el punto (generalmente medido a 1 miliamperio [mA]) en el que dispositivo conduce en modo de avalancha y cambia a baja impedancia.
• Corriente de pulso pico (I_PP): Es la corriente de sobretensión máxima especificada para el dispositivo.
• Voltaje de sujeción máximo (V_C): Es la máxima caída de voltaje a través del diodo en la I_PP.
• Corriente de fuga inversa (I_R): Es la corriente medida en V_RWM.
• Corriente de prueba (I_T): Es la corriente en V_BR (Figura 4).

Figura 4: Característica de voltaje/corriente para diodos de TVS bidireccionales que ilustra los parámetros clave del dispositivo (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La especificación de CAN detalla las características críticas del transceptor, que a su vez determinan las características de los diodos de TVS seleccionados para brindar protección eléctrica contra transitorios. Los parámetros clave incluyen:

• Un voltaje de bus mínimo/máximo de -3.0/16 voltios (sistema de 12 voltios)
• Un voltaje de bus en modo común CAN_L mínimo/nominal de -2.0/2.5 voltios
• Un voltaje de bus en modo común CAN_H nominal/máximo de 2.5/7.0 voltios
• Una ESD (contacto) recomendada de ≥ ±8.0 kilovoltios (kV)
• Una inmunidad contra sobretensión de corriente de pulso ISO 7673-3/IEC 61000-4-5

Los primeros parámetros que el desarrollador debe tener en cuenta son V_RWM y V_BR. Estos deben bastar para que el diodo de TVS se presente como una alta impedancia durante el funcionamiento normal, pero no tan alta, ya que el dispositivo puede comenzar a conducir hasta que el transceptor de CAN se exponga a un voltaje peligrosamente alto. Tenga en cuenta que, si bien los sistemas eléctricos automáticos funcionan con una batería de 12 voltios, la mayoría se diseñaron para arrancar desde un suministro de 24 voltios en caso de una emergencia. La elección del diodo de TVS debe tener esto en cuenta.

Por ejemplo, el NU2105L de ON Semiconductor tiene una V_RWM de 24 voltios y una V_BR de 26.2 voltios a 1 mA. El protector de bus de CAN CDSOT23-T24CAN de Bourns, un diodo de TVS bidireccional doble en paquete SOT-23, presenta una especificación idéntica.

El desarrollador luego debe verificar la capacitancia máxima del diodo de TVS. Una gran capacitancia socava la integridad de la señal. Cuanto más rápida sea la velocidad de datos, más baja debe ser la capacitancia. Una regla de oro es una capacitancia máxima entre líneas de señal y tierra de 100 picofaradios (pF) a una velocidad de datos de 125 kilobits por segundo (kbits/s) y 35 pF a 1 Mbits/s. Tenga en cuenta que algunas hojas de datos expresan la capacitancia a 0 voltios, mientras que otras lo expresan al voltaje promedio de los transceptores de CAN, que es de 2.5 voltios. Además, la capacitancia de las dos señales diferenciales debe coincidir para mantener la integridad del ancho de pulso en la señal de salida del amplificador.

A 0 voltios y 1 Mbit/s, el CDSOT23-T24CAN de Bourns, por ejemplo, tiene una capacitancia de 22 pF entre la línea de señal y tierra. El UCLAMP2492SQTCT de Semtech, un paquete SOT-23 que aloja dos diodos de TVS bidireccionales y se diseñó específicamente para la inmunidad contra sobretensión de bus de CAN, tiene una capacitancia de 15 pF (a 0 voltios y 1 Mbit/s) entre líneas de señal y tierra.

También tiene sentido elegir un dispositivo con baja corriente de fuga inversa (I_R) para maximizar la eficiencia del sistema. Tenga en cuenta que I_R aumenta con la temperatura, por lo que las condiciones operativas deben tenerse en cuenta al seleccionar un dispositivo. El NUP2105L, por ejemplo, tiene una I_R de 0.1 microamperios (µA) a 25 °C, mientras que el dispositivo UCLAMP2492SQTCT tiene una I_R de 0.2 µA a 25 °C y 0.35 µA a 125 °C.

Finalmente, el desarrollador debe asegurarse de que el diodo de TVS pueda disipar la energía de una sobretensión transitoria eléctrica no repetitiva sin daños y de que el voltaje de sujeción en la corriente máxima transitoria eléctrica no dañará el transceptor CAN.

IEC 61000-4-5, la norma de IEC que especifica cómo probar la inmunidad contra sobretensión, detalla la forma de onda de sobretensión típica utilizada para determinar la capacidad de un diodo de TVS. La forma de onda alcanza el 90 % de su valor máximo en 8 microsegundos (µs) y disminuye hasta el 50 % del valor máximo en 20 µs. Las hojas de datos a menudo se refieren a esto como la "forma de onda 8/20 µs" (Figura 5).

Figura 5: Ejemplo de los parámetros de forma de onda ("8/20 µs") especificados en IEC 61000-4-5 para probar la inmunidad contra sobretensión de un diodo de TVS (Fuente de la imagen: Bourns)

En la Figura 6 se muestra la respuesta del dispositivo TVS CDSOT23-T24CAN de Bourns a una forma de onda 8/20 µs de 11 amperios (A). El fabricante cita un voltaje de sujeción máximo de 36 voltios para un aumento de 5 A y 40 voltios para un aumento de 8 A. Las cifras equivalentes para el NUP2105L de ON Semiconductor son 40 y 44 voltios con una disipación de potencia máxima de 350 W, y para el UCLAMP2492SQTCT de Semtech, 44 voltios a 5 A.

Figura 6: Respuesta del CDSOT23-T24CAN de Bourns a una forma de onda 8/20 µs de 11 A Tenga en cuenta la rápida respuesta del paquete de diodos de TVS a la sobretensión transitoria de corriente y al pico de voltaje de sujeción de 36.4 voltios. (Fuente de la imagen: Bourns)

Una vez que el desarrollador haya seleccionado los diodos de TVS adecuados para el trabajo, se debe considerar cuidadosamente cuál es el mejor diseño de la placa de CI para un rendimiento óptimo. El principio central es que, una vez activados por un exceso de voltaje, los diodos de TVS dirigen las sobretensiones potencialmente dañinas lejos del transceptor de CAN y se disipan de manera segura en el plano de masa.

Bourns, por ejemplo, informa que el dispositivo SOT-23 debe colocarse lo más cerca posible del conector de bus con trazas cortas a las líneas de señal. La empresa asegura que una traza estándar de cobre de 1 onza y 10 mil es más que adecuada para manejar el nivel de corriente pico de los transitorios eléctricos típicos. El pin de conexión a tierra del dispositivo debe conectarse al plano de masa de la PCB utilizando una traza corta y una vía. Finalmente, si hay un plano de tierra en el lado de la señal cerca del diodo de TVS, el componente debe conectarse directamente al plano de masa (Figura 7).

Figura 7: Diseño recomendado de la placa de CI del CDSOT23-T24CAN de Bourns El SOT-23 que aloja diodos de TVS debe colocarse lo más cerca posible del conector de bus de CAN. (Fuente de la imagen: Bourns)

Conclusión

Las restricciones de costo, espacio y peso limitan el rango de soluciones para proteger los dispositivos de bus de CAN de eventos extremos como los rayos y las ESD. Sin embargo, los diodos de TVS ofrecen una solución intermedia aceptable entre estas limitaciones y el rendimiento de la protección. La clave para una implementación exitosa es hacer una comparación cuidadosa de las características eléctricas del diodo de TVS con la aplicación, de modo que la protección esté asegurada mientras el funcionamiento normal del bus de CAN no se vea comprometido.

La reciente introducción de soluciones compactas (SOT-23) diseñadas específicamente para aplicaciones automotrices de CAN e integrar dispositivos de TVS unidireccionales o bidireccionales facilita no solo la selección de componentes sino también la complejidad del diseño y los requisitos de espacio.

Referencias

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