利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

在過去的數(shù)十年中，從汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢看，汽車制造對于舒適度、效率、環(huán)境友好性的要求不斷提升，對于性能和汽車安全性的期望值也不斷提高。在這一趨勢的帶動下，汽車中的電子子系統(tǒng)以及連接這些子系統(tǒng)的配線的數(shù)量大幅增加。線纜的增多導致汽車重量增加，當然也增加了成本。不過，在八十年代初期，Bosch公司推出了CAN總線網絡，這種總線網絡有效降低了線路連接的復雜度，減輕了線纜重量并節(jié)省了成本，因而被廣泛用于汽車工業(yè)。

　　汽車制造從集中控制系統(tǒng)到分布式控制系統(tǒng)的轉變有助于汽車廠商達到降低汽車重量和成本的目標。集中控制系統(tǒng)通過大量線纜將所有執(zhí)行裝置、傳感器以及開關連接到控制系統(tǒng)，而分布式管理系統(tǒng)將電子控制單元(ECU)放置在需要控制的位置，通過總線系統(tǒng)進行相互通信(例如：兩線制CAN總線網絡)(圖1)。

　　CAN網絡由多個收發(fā)器模塊組成，這些收發(fā)器通過一對總線鏈接。每個模塊為一個CAN收發(fā)器，用于支持協(xié)議控制器(微控制器、狀態(tài)機或模塊內的其它處理引擎)和物理介質(線纜)之間的物理層互聯(lián)。這種新型CAN總線設計需要快速標準化，以確保來自不同廠商的ECU之間正確通信。ISO(國際標準化組織)在1993年首先對其實行了標準化定義，并在2003年和2007做出了進一步修正。目前的ISO 11898標準已經被原始設備制造商(OEM)作為現(xiàn)行標準采用，用于所有汽車內部的CAN通信。

　　為滿足ISO標準并提供正確的總線電平，大部分CAN收發(fā)器總線驅動器需要5V電源供電。但電子系統(tǒng)的主電源通常不能滿足子系統(tǒng)的電源要求。這種情況下，提供的系統(tǒng)電源通常不能直接為CAN收發(fā)器供電，例如，系統(tǒng)可能只提供一個3.3V電源。有時由于空間限制無法容納最合適的電源數(shù)量;有時則由于發(fā)熱問題而無法直接從電池產生5V電壓，特別是在電池電壓較高的CAN通信系統(tǒng)中(如：汽車中采用雙電池的情況，或者24V卡車系統(tǒng))。

　　可以利用電壓轉換器產生所要求的電源電壓，對于低功耗、結構簡單的低成本設計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導體器件，而且易于使用。

　　.電荷泵的選擇

　　1. 收發(fā)器電源

　　目前市面上已有簡單、功能成熟的CAN收發(fā)器，有些收發(fā)器需要單電源供電，而有些收發(fā)器需要多路電源供電。為了使來自不同ECU供應商的模塊之間能夠正確地互操作，并實現(xiàn)遵循ISO 11898標準的高速CAN通信，絕大多數(shù)模塊需要一個滿足最大容限要求的5V電源。

　　有些收發(fā)器還帶有內置I/O電平適配器。利用協(xié)議控制器的電源(作用在收發(fā)器單獨的電源引腳)，電平適配器按比例調整收發(fā)器的I/O電平，使其達到控制器電平。由此，收發(fā)器可直接連接工作在5V以下的控制器，無需任何膠合邏輯。

　　低功耗管理收發(fā)器支持本地和遠程喚醒，因此帶有另外一個電源引腳。該引腳必須由汽車電池持續(xù)供電且消耗的電流很小。因而ECU要求高速CAN總線即使在點火鑰匙“關閉”的條件下也必須保持有效工作。

　　關于CAN收發(fā)器其它引腳的功能描述，請參考選定器件的數(shù)據(jù)資料。

　　2. 電源電流

　　CAN總線通常處于兩個邏輯狀態(tài)之一：隱性或顯性(圖2)。正常通信模式下，收發(fā)器在顯性狀態(tài)下需要最大的輸入電流，隱性狀態(tài)所需的輸入電流最小。此時I/O電平適配器和遠程喚醒功能所消耗的電流可以忽略，因為它們通常消耗的是微控制器電源和汽車電池的電流，而且數(shù)值非常小。

　　總線出現(xiàn)故障時，電源電流會顯著增大，特別是在CAN_H線與地短路時。大多數(shù)收發(fā)器都會把短路電流限制在一個特定的最大值。為了防止電源電壓跌落，最好按照這種情況下的電流要求定義電荷泵的輸出電流規(guī)格。

　　基于上述考慮，為了給CAN收發(fā)器提供適當?shù)碾娫?，要求電荷泵必須保?V輸出電壓，并滿足收發(fā)器數(shù)據(jù)資料中的標稱電壓容限，最小輸出電流必須支持CAN_H短路到地的情況。

　　利用MAX1759電荷泵為MAX13041收發(fā)器供電

　　市場上可以找到多種傳統(tǒng)的CAN收發(fā)器和電荷泵器件，本文主要關注MAX13041 HS CAN收發(fā)器和MAX1759 buck/boost穩(wěn)壓型電荷泵的設計，解決收發(fā)器供電問題。收發(fā)器通過VCC引腳供電，為支持標準的ISO 11898 CAN通信，VCC必須保持在4.75V與5.25V之間(標稱工作電壓范圍)。該電壓在總線(CAN-H，CAN-L)之間建立正確的通信信號，并在IC處于正常工作模式時為接收電路供電。

　　收發(fā)器的VI/O輸入使能3.3V I/O微控制器的接口電路，在控制器和收發(fā)器的接收/發(fā)送 (RxD/TxD)級建立正確的電平。當然，當與5V控制器通信時，VI/O引腳也可以由5V電源供電。

　　VBAT引腳(通常連接到汽車12V電池)為具有極低靜態(tài)電流的喚醒檢測電路供電。根據(jù)CAN總線的信息，該引腳可以控制MAX13041從休眠模式喚醒。關于其它引腳的詳細說明，請參考MAX13041數(shù)據(jù)資料。

　　正常通信模式下，MAX13041在顯性狀態(tài)需要的最大輸入電流(VCC引腳)為80mA，隱性狀態(tài)(圖2)下為10mA。流入VI/O和VBAT的電流可忽略不計。當總線出現(xiàn)故障時，VCC電源電流將顯著增大，特別是當CAN_H信號線與地短路時。MAX13041將短路電流限制在IO(SC) = 95mA。

　　基于上述考慮，為了滿足CAN收發(fā)器的供電要求，電荷泵必須具有穩(wěn)定的5V輸出電壓，確保符合電壓容限的要求，最小輸出電流為95mA。

　　1. 電荷泵要求

　　MAX1759架構允許輸入電壓高于或低于穩(wěn)壓輸出值。而本應用中，電荷泵僅作為升壓轉換器工作。當VIN低于VOUT時，電荷泵作為穩(wěn)壓型升壓倍壓器工作。輕載下，電荷泵僅在需要維持負載的供電能量時進行開關操作，消耗很小的靜態(tài)電流。輕載時，輸出電壓紋波不會增大。

　　有關電荷泵其它特性的詳細說明，請參考MAX1759數(shù)據(jù)資料。

　　2. 實現(xiàn)3.3V方案

　　從圖3電路可以看出，用電荷泵為MAX13041供電非常簡單。只需要把MAX1759連接到CAN收發(fā)器的VCC輸入(藍色虛線所示)，即可產生滿足容限和輸出電流要求的5V輸出電壓。該配置允許其它電路采用低壓供電。本示例中，外部3.3V電源(綠色)為電荷泵(IN)、微控制器以及收發(fā)器的VI/O電平轉換器供電。拉高電荷泵的/SHDN，使器件置于ON狀態(tài)。MAX1759數(shù)據(jù)資料詳細介紹了關于輸入/輸出(CIN, COUT)電容和飛電容(CX)的選擇。

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