車(chē)規(guī)級(jí)CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)方案
在汽車(chē)領(lǐng)域,電磁兼容性(EMC)問(wèn)題一直備受矚目。相較于傳統(tǒng)汽車(chē),新能源汽車(chē)的EMC挑戰(zhàn)更為顯著,對(duì)總線接口芯片的EMC性能提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)卓越的EMC表現(xiàn),除了芯片本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)外,芯片外圍電路的精心設(shè)計(jì)與完善同樣至關(guān)重要。
本篇博文將重點(diǎn)探討CAN芯片外圍電路的參考設(shè)計(jì),以助力提升整體EMC性能,如下圖所示:
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共模電感
共模電感獨(dú)具特性,它在共模信號(hào)下呈現(xiàn)高阻抗,而在差模信號(hào)下則表現(xiàn)為低阻抗。這一特性使其在抑制共模噪聲干擾方面表現(xiàn)出色。在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)中,共模電感的應(yīng)用對(duì)于提升系統(tǒng)的EMC性能起到了關(guān)鍵作用。它不僅能有效濾除系統(tǒng)通過(guò)CAN總線自身發(fā)射的干擾噪聲,降低對(duì)其他系統(tǒng)的潛在影響,還能抑制其他系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾噪聲對(duì)CAN總線通信的干擾,確保通信的穩(wěn)定與可靠。
如下圖所示,展示了NOVOSENSE CAN收發(fā)器在EMI測(cè)試中的結(jié)果對(duì)比。通過(guò)對(duì)比總線加共模電感(CMC)和不加CMC的測(cè)試結(jié)果,可以明顯觀察到CMC對(duì)于抑制通過(guò)CAN總線發(fā)射出的電磁干擾具有顯著效果。
在實(shí)際選型過(guò)程中,我們需關(guān)注CMC的多個(gè)關(guān)鍵特性,包括電感值、漏感(leakage inductance)、直流電阻(DC resistance)以及模式轉(zhuǎn)換特性(mode conversion characteristics),以確保所選CMC能夠最優(yōu)化地滿足系統(tǒng)的EMC需求。
1.1、電感值
在選取CMC電感值時(shí),我們首要考慮的是其對(duì)總線共模噪聲的抑制能力。為了有效抑制共模噪聲,CMC在共模噪聲頻率處應(yīng)具備盡可能高的電感值,從而呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài),阻止噪聲傳播。然而,電感值的選擇并非越大越好,過(guò)大的電感值會(huì)帶來(lái)尺寸和成本上的挑戰(zhàn)。
綜合考慮,針對(duì)500kbps的CAN通信,推薦使用51uH電感值的CMC;而對(duì)于2Mbps的CAN FD通訊,則建議采用100uH電感值的CMC,以實(shí)現(xiàn)共模噪聲的有效抑制并兼顧尺寸與成本。
1.2、泄漏電感
泄漏電感,亦稱(chēng)為差模電感,對(duì)差模信號(hào)具有一定的抑制效果。然而,過(guò)大的泄漏電感可能會(huì)引發(fā)CAN信號(hào)的振鈴現(xiàn)象,從而干擾CAN總線的正常通訊。與此同時(shí),適量的泄漏電感又能有效抑制CAN總線中的差模電流,進(jìn)而提升系統(tǒng)的整體EMI性能。
因此,在權(quán)衡泄漏電感的影響時(shí),我們應(yīng)確保其既能發(fā)揮差模抑制作用,又不至于在總線信號(hào)上產(chǎn)生顯著的振鈴,確保CAN總線的正常通訊不受干擾。適度的泄漏電感對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)性能是有益的。
1.3、直流電阻
共模電感的直流電阻對(duì)總線信號(hào)的損耗具有直接影響。隨著直流電阻的增大,總線信號(hào)的損耗也會(huì)相應(yīng)增加,從而導(dǎo)致傳輸效率降低。因此,在確定了共模電感的電感值之后,選擇直流電阻盡可能小的CMC顯得尤為重要。
這樣做可以有效減少總線信號(hào)的損耗,提高信號(hào)傳輸效率,確保CAN總線通信的穩(wěn)定性和可靠性。
1.4、CMC的模式轉(zhuǎn)換特性
共模電感的模式轉(zhuǎn)換特性揭示了其上下線圈的對(duì)稱(chēng)程度,這一特性通過(guò)Ssd12/Sds21參數(shù)來(lái)衡量。當(dāng)Ssd12/Sds21參數(shù)的差異較大時(shí),意味著模式轉(zhuǎn)換特性更為顯著,可能表明CMC的上下線圈存在較大的不對(duì)稱(chēng)性。這種不對(duì)稱(chēng)性會(huì)在CAN總線通信過(guò)程中引入額外的共模噪聲,從而降低CMC的EMI濾波效能。因此,在選擇CMC時(shí),我們應(yīng)傾向于選擇那些Ssd12/Sds21參數(shù)接近的器件,以?xún)?yōu)化EMI性能。
如下圖所示的DLW32SH101XF2阻抗與頻率特性曲線,清晰地展示了CMC在共模噪聲頻率下的高共模阻抗Zc,這有助于有效抑制共模噪聲。同時(shí),在CAN總線通信頻段內(nèi),CMC保持了較低的差模阻抗Zd,確保在抑制共模噪聲的同時(shí),不會(huì)對(duì)總線的正常通訊造成不利影響。
在CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信過(guò)程中,若總線遭遇異常故障,例如短路至BAT或Vcc,CMC的存在可能導(dǎo)致總線上產(chǎn)生接近或超出總線耐受電壓的瞬態(tài)電壓。對(duì)于NOVOSENSE系列的CAN收發(fā)器而言,此類(lèi)因總線短路而在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓,恰好滿足芯片總線引腳內(nèi)部ESD防護(hù)電路的啟動(dòng)條件。
因此,由CMC感生的過(guò)壓能量將通過(guò)內(nèi)部ESD防護(hù)電路得到完全泄放,確保芯片免受任何損害,從而保障了收發(fā)器的可靠性和穩(wěn)定性。
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終端分立電阻
在包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)中,我們依靠總線將各個(gè)CAN收發(fā)器的CANH和CANL引腳連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)通信。通常,在首端節(jié)點(diǎn)和末端節(jié)點(diǎn)的總線上會(huì)分別并聯(lián)一個(gè)電阻,其阻值通常與總線的特征阻抗相匹配。這個(gè)電阻的主要作用包括以下幾點(diǎn):
匹配總線特征阻抗,阻止信號(hào)反射,保證信號(hào)傳輸質(zhì)量
CAN總線的特征阻抗通常為120Ω,而CAN收發(fā)器在隱性狀態(tài)下的總線差分輸入電阻高達(dá)數(shù)十kΩ。當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的信號(hào)通過(guò)總線傳輸至接收節(jié)點(diǎn)時(shí),由于阻抗不匹配,信號(hào)會(huì)發(fā)生反射,進(jìn)而導(dǎo)致總線信號(hào)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。這種振鈴不僅會(huì)影響CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信,還可能引起數(shù)據(jù)誤判或通信中斷。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,在接收端并聯(lián)一個(gè)與總線特征阻抗相匹配的電阻(通常為120Ω)是一個(gè)有效的解決方案。這樣做的目的是吸收信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)多余的能量,從而避免振鈴的產(chǎn)生。通過(guò)這種方式,可以顯著提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量,確保CAN網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。
總線負(fù)載電阻在45Ω~70Ω范圍之間,提升總線的抗干擾性能
CAN收發(fā)器的輸入差分電阻阻值高達(dá)數(shù)十kΩ,在總線隱性狀態(tài)下,這一較高的電阻值使得外部輕微的干擾能夠通過(guò)它并在總線上產(chǎn)生足夠的差分電壓,從而可能改變總線的狀態(tài)。為了避免這種情況,我們需要在總線處并聯(lián)一個(gè)阻值相對(duì)較小的電阻。
這個(gè)并聯(lián)電阻的作用是吸收外部干擾,防止其在總線上形成顯性差分電壓。同時(shí),在選擇這個(gè)并聯(lián)電阻的值時(shí),還需要考慮CAN收發(fā)器的總線輸出電壓范圍。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性,這個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部等效負(fù)載電阻應(yīng)控制在45Ω到70Ω之間。這樣既可以有效地吸收外部干擾,又不會(huì)對(duì)CAN收發(fā)器的正常工作造成不良影響。
加速總線信號(hào)下降沿,確??偩€快速切入隱性狀態(tài)
總線顯隱切換的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是對(duì)寄生電容的充放電過(guò)程。當(dāng)沒(méi)有并聯(lián)終端電阻時(shí),從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài),總線寄生電容只能通過(guò)CAN收發(fā)器內(nèi)部高達(dá)幾十kΩ的電阻進(jìn)行放電。這樣的放電過(guò)程相對(duì)緩慢,導(dǎo)致信號(hào)下降沿不夠陡峭。在高速通訊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,這種緩慢的信號(hào)下降可能會(huì)影響CAN的正常通訊。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,通過(guò)在CAN總線上并聯(lián)一個(gè)阻值較小的匹配電阻,可以顯著加速放電過(guò)程,使總線信號(hào)的下降沿更加迅速,從而實(shí)現(xiàn)總線狀態(tài)從顯性到隱性的快速切換。如圖2.5和2.6所示,對(duì)比了未加終端電阻和加上終端匹配電阻時(shí)的CAN總線波形,可以清晰地看到,加入匹配電阻后,信號(hào)下降速度明顯加快,有助于提高CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊質(zhì)量。
如下圖所示,未安裝終端匹配電阻時(shí),總線的電平在從顯性狀態(tài)切換至隱性狀態(tài)時(shí)下降緩慢,幾乎占據(jù)了整個(gè)隱性bit位時(shí)間(通訊速率為1Mbps),這可能導(dǎo)致CAN通訊異常。然而,當(dāng)添加了終端匹配電阻后,電平下降速度加快,總線波形更為理想。
為了進(jìn)一步提高CAN收發(fā)器的EMC性能,我們建議采用將單個(gè)終端匹配電阻分成兩個(gè)相等電阻串聯(lián)的方式,并在中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)電容連接至GND。這種連接方式不僅為總線上的共模干擾提供了額外的路徑,有效降低了總線共模噪聲的影響,而且還構(gòu)成了一個(gè)RC低通濾波器,能夠?yàn)V除一些高頻噪聲干擾。對(duì)于位于CAN網(wǎng)絡(luò)中的某些中間節(jié)點(diǎn),也可以采用這種端接電阻方法,以進(jìn)一步提升信號(hào)質(zhì)量。
如下圖所示,中間節(jié)點(diǎn)終端電阻阻值應(yīng)滿足使得整個(gè)CAN 網(wǎng)絡(luò)的總線電阻在45Ω-70Ω之間。
例如在一個(gè)11節(jié)點(diǎn)的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中,RT取124Ω,若總線負(fù)載等效電阻值取50Ω,則根據(jù)以下公式,可以近似計(jì)算得到RS阻值約為2.3kΩ,則RS/2為1.15kΩ。同時(shí)為了保持CANH和CANL兩條路徑的對(duì)稱(chēng),避 免產(chǎn)生新的共模噪聲,應(yīng)選擇精度比較高的電阻,盡可能使得阻值一致。
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總線電容
為了提升CAN總線的EMC性能,除了在總線上加裝CMC和采用分立終端匹配電阻的方法外,還可以分別在CANH和CANL上添加對(duì)地電容。這種方法能夠有效濾除總線上的高頻噪聲,從而在一定程度上提高CAN總線的EMC性能。
然而,在選擇對(duì)地電容值時(shí),需要綜合考慮多種因素。如果電容值過(guò)大,可能會(huì)導(dǎo)致總線信號(hào)衰減,上升和下降時(shí)間延長(zhǎng),縮短bit時(shí)間,從而影響總線的正常通訊。此外,對(duì)地電容容值與信號(hào)源的阻抗所組成的RC低通濾波器的截止頻率應(yīng)高于CAN總線的通訊速率,以確保CAN總線的正常通訊。
因此,在選擇合適的對(duì)地電容時(shí),需要綜合考慮總線長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通訊速率等因素。通常情況下,對(duì)于2Mbps的CANFD通訊,建議總線對(duì)地電容不超過(guò)100pF。
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ESD保護(hù)二極管
在汽車(chē)或工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)于具有外部連接接口的系統(tǒng),安裝和維護(hù)過(guò)程中可能積累過(guò)量的電荷。這些電荷通過(guò)接口線纜流入模塊,其放電能量可能高達(dá)數(shù)十千伏。在這種情況下,位于接口端的接口芯片會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害,可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此,保護(hù)接口收發(fā)器免受ESD(靜電放電)影響對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用至關(guān)重要。
盡管CAN收發(fā)器芯片內(nèi)部已設(shè)計(jì)有相關(guān)的ESD保護(hù)電路,但由于受限于芯片尺寸,總線端的ESD防護(hù)能力通常不足以應(yīng)對(duì)某些環(huán)境下的ESD沖擊。因此,需要使用外部ESD保護(hù)二極管來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)端的ESD防護(hù)能力。瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管是一種常用于外部ESD防護(hù)的器件。
對(duì)于 TVS 管的選取,除了要考慮其瞬時(shí)響應(yīng)特性,能快速泄放瞬間大能量,我們還應(yīng)注意以下幾個(gè)參數(shù):
反向關(guān)斷電壓(VRWM)
反向關(guān)斷電壓參數(shù)反映了TVS管在非導(dǎo)通狀態(tài)下的最大承受電壓。在CAN總線正常運(yùn)行時(shí),TVS管應(yīng)保持截止?fàn)顟B(tài)。一旦CAN總線遭遇異常過(guò)壓,達(dá)到TVS管的擊穿電壓,TVS管便會(huì)迅速?gòu)母咦钁B(tài)切換到低阻態(tài),將總線上的瞬時(shí)過(guò)流引導(dǎo)至地,從而保護(hù)CAN收發(fā)器和總線。因此,為確保CAN總線的正常通訊不受影響,TVS管的反向關(guān)斷電壓必須高于CAN總線的正常工作電壓。通常情況下,TVS管的反向關(guān)斷電壓應(yīng)高于CAN收發(fā)器總線的共模電壓工作范圍。
擊穿電壓(VBR)
V_BR 表征 TVS 管通過(guò)一定電流時(shí)的兩端電壓,在這個(gè)電壓下,TVS 管呈現(xiàn)低阻抗特性。一般情況下 V_BR 會(huì)略高于 V_RWMo。
鉗位電壓(VCL)
V_CL表示在峰值脈沖電流下TVS管能夠達(dá)到的最大鉗位電壓值。對(duì)于CAN總線系統(tǒng)來(lái)說(shuō),確保TVS管的VCL值低于CAN總線的絕對(duì)最大額定電壓(AMR)是至關(guān)重要的,以避免對(duì)CAN收發(fā)器造成潛在損害。
峰值脈沖功率(P_PP)
峰值脈沖功率為峰值脈沖電流與鉗位電壓Va的乘積,Pp越大,在給定最大鉗位電壓條件下,TVS管的瞬態(tài)浪涌電流吸收能力越大,TVS管的ESD保護(hù)效果越好。因此,在選擇V的前提下,應(yīng)選擇Pp較大的TVS管。
電容(Cd)
Cd表征在一定頻率下TVS管的寄生電容大小。在CAN總線應(yīng)用中,為了確保CAN總線通訊頻率不受影響,應(yīng)選擇具有較低寄生電容的TVS管,以避免對(duì)總線信號(hào)產(chǎn)生較大衰減,從而保證通信質(zhì)量。
TVS管應(yīng)盡量放置在模塊的對(duì)外連接處,以便快速將外部能量泄放到地,提高保護(hù)效果。此外,TVS管的走線應(yīng)盡可能短,以減少線路的寄生電感和阻抗影響。寄生電感可能導(dǎo)致VCL電壓的增加,而走線阻抗則會(huì)降低TVS管對(duì)浪涌能量的泄放能力。
參考資料:納芯微CAN收發(fā)器節(jié)點(diǎn)計(jì)算與外圍電路參考設(shè)計(jì)
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