利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

　　電磁兼容(EMC)是CAN通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)采用開關(guān)型穩(wěn)壓器供電時(shí)。CAN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配線是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L引腳是連接整個(gè)汽車總線網(wǎng)絡(luò)的接口。設(shè)計(jì)時(shí)如果不謹(jǐn)慎，可能從CAN電源產(chǎn)生較大干擾，干擾信號(hào)通過(guò)收發(fā)器，經(jīng)過(guò)總線最終進(jìn)入其它ECU，或進(jìn)入鄰近的線纜。這種干擾將造成通信故障或系統(tǒng)其它控制單元之間的傳輸故障。

　　基于這一考慮，我們測(cè)試了采用MAX1759電荷泵供電的MAX13041的EMC特性，并與采用經(jīng)過(guò)濾波的5V電源供電的收發(fā)器的EMC特性進(jìn)行比較。由此，我們可以看到電荷泵的EMC干擾和電荷泵對(duì)CAN總線傳輸電源干擾的抑制能力。在本測(cè)試中，我們主要考慮兩個(gè)方面：電磁抗擾(EMI)和電磁輻射(EME)。

　　4. 電磁抗擾測(cè)試(EMI)

　　ISO 11452規(guī)范規(guī)定了幾種抗RF干擾的測(cè)試方法，包括大電流注入(BCI)、橫向電磁波室(TEM-cell)、帶狀線以及直接電源注入(DPI)。

　　由于DPI方法具有較好的可重復(fù)性(采用精心設(shè)計(jì)的測(cè)試板)，并且測(cè)試工作量不大，因此我們選用了該方法。DPI測(cè)試原理非常簡(jiǎn)單：向總線電纜注入特定的經(jīng)過(guò)調(diào)制或未經(jīng)調(diào)制的交流電壓，通過(guò)收發(fā)器的RXD引腳檢測(cè)傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)完整性。這種方法還便于比較不同廠商的設(shè)計(jì)，可以在獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試CAN收發(fā)器(如IBEE)。

　　5. 測(cè)試裝置

　　測(cè)試裝置(圖4)包括三個(gè)焊接在PCB上的相同收發(fā)器，其中一個(gè)收發(fā)器由MAX1759電荷泵供電，節(jié)點(diǎn)1作為發(fā)送器，用于仿真CAN數(shù)據(jù)的比特流模板，數(shù)據(jù)由所有收發(fā)器接收并在RxD端口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于Rx1至Rx3輸出以及TxD1輸入的RF去耦，采用1k?電阻。每個(gè)收發(fā)器IC的VCC和VBAT電源端口采用陶瓷電容(C = 100nF)緩沖。喚醒引腳的電阻為33k?。將EN引腳和/STB引腳置于高電平，使器件處于正常工作模式。節(jié)點(diǎn)1的VCC電壓由MAX1759電荷泵產(chǎn)生，電荷泵由3.3V供電。3.3V電源還用作節(jié)點(diǎn)1收發(fā)器的VI/O電壓。

　　電荷泵輸出電容C1為10μF，飛電容C2為330nF，IN輸入引腳采用10μF電容去耦。測(cè)試電路中，總線端接采用60? R4電阻進(jìn)行中心端接。對(duì)稱的RF耦合/去耦采用RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由R5/R6=120?、C3/C4=4.7nF組成。外部3.3V、5V、12V電源由標(biāo)準(zhǔn)電源提供，通過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。

　　6. 測(cè)試步驟

　　對(duì)正常工作模式下的CAN收發(fā)器MAX13041進(jìn)行測(cè)試，在第一輪測(cè)試中，所有收發(fā)器采用標(biāo)準(zhǔn)VCC = 5V電源供電;第二輪測(cè)試中，其中一個(gè)收發(fā)器由電荷泵供電(圖4)。模板發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的500kbps方波，仿真節(jié)點(diǎn)1的TXD引腳的CAN信號(hào)(交替的0-1-0數(shù)據(jù))。RF輸入HF發(fā)生器(HF1)對(duì)CAN總線注入一個(gè)固定頻率的調(diào)幅(AM)交流電壓，功率為36dBm，用于模擬干擾信號(hào)。

　　為評(píng)估抑制特性，在饋入TXD的干擾信號(hào)的影響下，用示波器比較網(wǎng)絡(luò)中三個(gè)收發(fā)器的Rx信號(hào)。根據(jù)所允許的±0.9V最大電壓偏差和±0.2μs最大時(shí)間偏差確定屏蔽值，覆蓋整個(gè)TXD信號(hào)波形。

　　如果達(dá)到失效條件(例如，如果一個(gè)收發(fā)器的RXD信號(hào)超出了所確定的屏蔽窗口)，將所注入的RF功率降至0.2dBm，并按照特定的頻率步長(zhǎng)重復(fù)相同測(cè)試，直到解除失效狀態(tài)。然后，記錄當(dāng)前的功率值并調(diào)整到下一頻率步長(zhǎng)。測(cè)試頻率范圍覆蓋10MHz至100MHz。

　　7. DPI測(cè)試結(jié)果

　　圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)5V電源作用在VCC為MAX13041供電時(shí)的測(cè)試結(jié)果(藍(lán)色)，以及由電荷泵為MAX13041供電時(shí)的測(cè)試結(jié)果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示沒(méi)有發(fā)生失效的情況下作允許的最大注入功率。

　　藍(lán)線和粉線幾乎相同，表明該電路的EMI特性主要取決于CAN收發(fā)器本身的EMI敏感度，而非電荷泵的EMI敏感度。因此，當(dāng)電路受到任何EMI干擾時(shí)，為MAX13041 CAN收發(fā)器供電的MAX1759電荷泵不會(huì)明顯影響電路性能。

　　8. 輻射測(cè)試(EME)

　　輻射測(cè)試在同一個(gè)電路板進(jìn)行，除了將功率注入電路(HF發(fā)生器)替換為頻譜分析儀外，測(cè)試裝置與DPI測(cè)試相同。測(cè)試也是在CAN收發(fā)器正常工作模式下進(jìn)行。第一輪測(cè)試在所有收發(fā)器采用標(biāo)準(zhǔn)VCC = 5V電源供電條件下進(jìn)行;第二輪測(cè)試在一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)由電荷泵供電的條件下進(jìn)行。在CAN TXD輸入作用一個(gè)方波信號(hào)(仿真500kbps的傳輸比特流)，CAN總線的輻射由頻譜分析儀在100kHz至1GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量和記錄，無(wú)需示波器(圖4)。

　　9. 輻射測(cè)試結(jié)果

　　圖6給出了標(biāo)準(zhǔn)5V電源作用在VCC為MAX13041供電的測(cè)試結(jié)果(藍(lán)色)，以及電荷泵供電條件下的MAX13041測(cè)試結(jié)果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示干擾信號(hào)電平。

　　與采用標(biāo)準(zhǔn)5V供電的MAX13041 (藍(lán)色)相比，藍(lán)線峰值和粉線峰值(其中一個(gè)收發(fā)器由電荷泵供電)幾乎相同。表明電路的輻射特性主要取決于CAN收發(fā)器的輻射兼容性，而非電荷泵。測(cè)試結(jié)果表明，采用電荷泵為CAN收發(fā)器供電并沒(méi)有明顯影響系統(tǒng)整體的EMC特性。如果選擇其他半導(dǎo)體廠家的收發(fā)器或電荷泵，最好對(duì)所選器件進(jìn)行類似測(cè)試，因?yàn)槊總€(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品性能有所不同。

　　本文小結(jié)

　　在CAN應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)電磁兼容目標(biāo)是極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題，特別是當(dāng)收發(fā)器由開關(guān)穩(wěn)壓器(電荷泵)供電時(shí)。但是，本文推薦的電荷泵不會(huì)對(duì)電路的EMC特性產(chǎn)生明顯影響。對(duì)于要求以低成本實(shí)現(xiàn)低功耗、低電壓工作的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有現(xiàn)成的5V電源的情況下，可以采用電荷泵給CAN收發(fā)器供電。