車規(guī)級(jí)CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)方案

電子設(shè)計(jì)聯(lián)盟

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2 k% H: o4 r$ |! g! O, D; b5 p共模電感
; k+ N0 Y  D% j8 b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。
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6 \+ J! J" g3 L8 s6 N如下圖所示，展示了NOVOSENSE CAN收發(fā)器在EMI測試中的結(jié)果對(duì)比。通過對(duì)比總線加共模電感（CMC）和不加CMC的測試結(jié)果，可以明顯觀察到CMC對(duì)于抑制通過CAN總線發(fā)射出的電磁干擾具有顯著效果。


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在實(shí)際選型過程中，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。
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1.1、電感值
) b9 d% `: Z7 c. S6 J2 z" v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，過大的電感值會(huì)帶來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。
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1.2、泄漏電感
泄漏電感，亦稱為差模電感，對(duì)差模信號(hào)具有一定的抑制效果。然而，過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。
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3 X$ m$ l9 q6 A( i; C5 ^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
, `- l! A5 L5 w# O" T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。
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- M! N  e8 f( b, I: Z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。
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1.4、CMC的模式轉(zhuǎn)換特性
& h6 i4 U9 G  i2 u- u共模電感的模式轉(zhuǎn)換特性揭示了其上下線圈的對(duì)稱程度，這一特性通過Ssd12/Sds21參數(shù)來衡量。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)稱性。這種不對(duì)稱性會(huì)在CAN總線通信過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，以優(yōu)化EMI性能。

% ]. O. ^, k( n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。

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在CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信過程中，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，此類因總線短路而在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓，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。

( ]) g. v) l/ h5 Z+ @7 Z因此，由CMC感生的過壓能量將通過內(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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, r+ ^# h( B+ j1 q1 O- S% ~( W終端分立電阻
! C) {/ S* c( V* j! W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)：
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) c9 E5 C2 x8 W2 u. N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。

+ j- T9 ^  Z/ ]" M為了解決這個(gè)問題，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。


% z! \. r; t% N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。
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% U. e- _& l) l- Q7 Q3 Y5 {加速總線信號(hào)下降沿，確�？偩�快速切入隱性狀態(tài)
* I( J1 k1 y5 }7 ?總線顯隱切換的過程實(shí)質(zhì)上是對(duì)寄生電容的充放電過程。當(dāng)沒有并聯(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)問題，通過在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。

1 V* _7 d  W% d/ w0 j4 G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。
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  c! N3 R0 s( R. }( d3 y3 }" N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。
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% F. z* k$ J4 M/ c% z$ K9 p5 [( S
3 c1 e6 c5 Q, B# w) z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。
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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，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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+ i' Y# y; P# ]+ @: ~! ]6 W' Z  O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。
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- K) R! h( s% U6 w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，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。
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因此，在選擇合適的對(duì)地電容時(shí)，需要綜合考慮總線長度、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100pF。
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# Z" R, w! H$ tESD保護(hù)二極管
* g) I( p& w! E- l2 Q在汽車或工業(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)過程中可能積累過量的電荷。這些電荷通過接口線纜流入模塊，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)：

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5 W0 F9 X% k; G: d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總線遭遇異常過壓，達(dá)到TVS管的擊穿電壓，TVS管便會(huì)迅速從高阻態(tài)切換到低阻態(tài)，將總線上的瞬時(shí)過流引導(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。

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擊穿電壓(VBR)
V_BR 表征 TVS 管通過一定電流時(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。
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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)來說，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。
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! h+ ^6 p: T. O& w: P1 J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。
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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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