CAN总线如何防雷？
can-bus起源于汽车总线，目前被广泛应用于环境复杂的工业现场，因此必要的总线防护是主板及设备安全的重要保障。今天这里跟说一说can总线防雷防护设计。
从广义上讲防雷包含两个概念，一是防雷击二是防浪涌。雷击是雷雨云中电荷瞬间释放的现象，它能在周围引起高能、瞬变的电场及磁场。浪涌包括浪涌电流、浪涌电压，它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象，如图1，雷击又可分为直击雷、非直击雷，直击雷是雷电直接作用到物体上，非直击雷则是通过电磁场感生出电动势、电流作用到物体上 ，两者都能产生浪涌电压、浪涌电流。
图1 电压浪涌
can总线物理层传输介质一般为铜制双绞线，容易受到电磁场的干扰。can收发器属于弱电元器件，对电压电流的冲击毫无抵抗力，因此复杂工业现场can总线的防雷设计十分必要。can总线防雷要从两方面入手，一是can收发器处，即接口防护。二是物理介质处，即传导防护。防护的思路主要是屏蔽干扰、提供泄放通道、隔离保护。
一、接口防护 can的接口防护一般是在收发器外加隔离保护器件，如光耦、磁耦等。为接口设计方便，我们可以使用一体化的收发器模块。相比于单个的收发器芯片，模块化的产品环境适应性更强。图2是超小体积、隔离型can收发模块，这种模块可以挂载到can总线上，拥有高达2500vdc隔离耐压值。
图2 隔离型can收发模块及应用电路
根据经验，隔离型模块在容易遭受大能量雷击的场合工作时，仍需要加更高等级的防护电路，保护模块不被损坏以及总线的可靠通信。常用的器件有gdt、tvs以及共模电感。如图3所示，gdt被放置于接口最前端，提供第一级的雷击浪涌防护。当雷击、浪涌产生时，gdt瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将can_h、can_l间电压钳制在二十几伏范围内。后端的tvs提供第二级浪涌防护，具体规格可根据需求选择。
图3 高防护can接口电路
上述推荐的接口电路虽然能够提供有效的防护，但是需要引入较多的电子器件，这也就意味着接口电路将占用更多的pcb空间，若器件参数选择不合适易造成emc问题。有没有更简洁的防护设计呢？可选择引入专业的浪涌抑制器，这种小体积模块采用灌封材料，具备高防护等级要求。
以sp00s12模块为例，它可以满足 iec/en61000-4-5 ±4kv 浪涌等级要求，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护，非常适合于can、 rs-485 等通信领域的浪涌防护。以共模浪涌测试为例，在sp00s12输入端加载4kv、 1.2/50μs 浪涌电压（图4），在输出端测试压降已被降低至17.1v（图5）。
图4 输入端电压波形4kv
图5 输出端波形电压17.1v
图6是一个 can节点电路设计，在收发器与can总线间添加 sp00s12，可使 can 信号端口轻松满足 iec61000-4-5 ±4kv 的浪涌等级要求。
图6 浪涌抑制器的应用
除此之外，我们还有更好的选择，如图7采用一体化的高浪涌防护隔离 can 收发器可以完全代替隔离can收发器与浪涌抑制器的组合。此方案将最大限度简化电路设计、节省pcb空间、降低产品成本。它能够防护4kv浪涌、15kv静电的同时还具备极佳的emc特性。
图7 极简隔离方案
传导防护 传导防护主要是在传输线上进行的。can总线的数据传输介质一般为双绞线，它主要的作用是抗低共模干扰，但是在面对浪涌、雷击等情况时不仅没有防护作用，反而易造成节点设备的损坏。因此，具备室外环境、长传输距离、多节点设备特点的总线一般都要加隔离防护功能的网桥、中继器，如图8。当用户的can总线受到强干扰导致死机或者损坏，接上该系列产品后，可以隔离干扰保护设备正常运行。优秀的网桥及中继器具有2500vdc、±8kv静电等级的防护能力。
图8 网桥防护方案
有没有方法能彻底解决雷击造成的隐患呢？答案是肯定的，只要数据的传输不依赖电信号就能完全隔离掉雷击的危害。我们可以把can总线室外的部分或者说容易受到干扰的部分使用光信号传输，这种方法目前已经广泛应用于高速铁路、地铁、煤矿、医疗、航空航天、楼宇安防、电梯控制等场合。
图9 can转光纤防护方案
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图1 电压浪涌
can总线物理层传输介质一般为铜制双绞线，容易受到电磁场的干扰。can收发器属于弱电元器件，对电压电流的冲击毫无抵抗力，因此复杂工业现场can总线的防雷设计十分必要。can总线防雷要从两方面入手，一是can收发器处，即接口防护。二是物理介质处，即传导防护。防护的思路主要是屏蔽干扰、提供泄放通道、隔离保护。
一、接口防护 can的接口防护一般是在收发器外加隔离保护器件，如光耦、磁耦等。为接口设计方便，我们可以使用一体化的收发器模块。相比于单个的收发器芯片，模块化的产品环境适应性更强。图2是超小体积、隔离型can收发模块，这种模块可以挂载到can总线上，拥有高达2500vdc隔离耐压值。
图2 隔离型can收发模块及应用电路
根据经验，隔离型模块在容易遭受大能量雷击的场合工作时，仍需要加更高等级的防护电路，保护模块不被损坏以及总线的可靠通信。常用的器件有gdt、tvs以及共模电感。如图3所示，gdt被放置于接口最前端，提供第一级的雷击浪涌防护。当雷击、浪涌产生时，gdt瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将can_h、can_l间电压钳制在二十几伏范围内。后端的tvs提供第二级浪涌防护，具体规格可根据需求选择。
图3 高防护can接口电路
上述推荐的接口电路虽然能够提供有效的防护，但是需要引入较多的电子器件，这也就意味着接口电路将占用更多的pcb空间，若器件参数选择不合适易造成emc问题。有没有更简洁的防护设计呢？可选择引入专业的浪涌抑制器，这种小体积模块采用灌封材料，具备高防护等级要求。
以sp00s12模块为例，它可以满足 iec/en61000-4-5 ±4kv 浪涌等级要求，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护，非常适合于can、 rs-485 等通信领域的浪涌防护。以共模浪涌测试为例，在sp00s12输入端加载4kv、 1.2/50μs 浪涌电压（图4），在输出端测试压降已被降低至17.1v（图5）。
图4 输入端电压波形4kv
图5 输出端波形电压17.1v
图6是一个 can节点电路设计，在收发器与can总线间添加 sp00s12，可使 can 信号端口轻松满足 iec61000-4-5 ±4kv 的浪涌等级要求。
图6 浪涌抑制器的应用
除此之外，我们还有更好的选择，如图7采用一体化的高浪涌防护隔离 can 收发器可以完全代替隔离can收发器与浪涌抑制器的组合。此方案将最大限度简化电路设计、节省pcb空间、降低产品成本。它能够防护4kv浪涌、15kv静电的同时还具备极佳的emc特性。
图7 极简隔离方案
传导防护 传导防护主要是在传输线上进行的。can总线的数据传输介质一般为双绞线，它主要的作用是抗低共模干扰，但是在面对浪涌、雷击等情况时不仅没有防护作用，反而易造成节点设备的损坏。因此，具备室外环境、长传输距离、多节点设备特点的总线一般都要加隔离防护功能的网桥、中继器，如图8。当用户的can总线受到强干扰导致死机或者损坏，接上该系列产品后，可以隔离干扰保护设备正常运行。优秀的网桥及中继器具有2500vdc、±8kv静电等级的防护能力。
图8 网桥防护方案
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