CAN總線：設計CAN總線電路

2021-04-20

CAN總線：設計CAN總線電路

CAN總線節點中包含三個主要組件：

微處理器

CAN總線控制器

CAN總線收發器

CAN總線控制器實現了網絡協議ISO 11898-1的所有低級功能，而收發器則與物理層進行通信。不同的物理層需要使用不同的收發器，例如高速罐，低速容錯罐或具有可變數據速率的高速罐。

在典型的實現中，CAN總線控制器和微處理器被集成為支持CAN的微控制器。市場上有帶SPI接口的外部CAN總線控制器，主要由Microchip制造，但它們通常會增加不必要的成本和復雜性。

在本文中，我們將研究從收發器到CAN總線連接器的電路設計?，F在該弄臟我們的手，設計我們的CAN總線電路了！

第一步-選擇合適的IC

所有CAN總線收發器的運行方式相似，因為它們位于實現CAN總線控制器的微控制器（或FPGA）與CAN總線本身之間。不過，您仍應仔細考慮一些差異。

快速搜索合適的Octopart類別后，可以發現，領先的CAN總線收發器制造商按照所提供的IC數量從高到低依次為NXP Semiconductors，Microchip，Texas Instruments，Maxim Integrated，Analog Devices和ST Microelectronics。

所有這些收發器看起來都很相似，但是它們的功能和性能都不同。

靜電防護

市場上第一批CAN總線收發器幾乎沒有針對ESD（靜電釋放）事件的保護。他們要求所有I / O保護都必須通過外部組件來實現。 

幸運的是，情況已不再如此。以下是一些隨機IC及其在總線引腳上的HBU（人體模型）ESD容限：

零件號	制造商	ESD HBM容限
L9616	意法半導體	6kV
IFX1050G	英飛凌	6kV
TJA1051	恩智浦半導體	8kV
LTC2875	線性技術	25kV的
的MAX14883E	Maxim Integrated	22kV的

較高的ESD耐受性可以節省外部保護，但您應該意識到，在優質TVS二極管上花費幾美分可以極大地提高可靠性。

如果您的應用程序受空間限制，而您不必處理太多的ESD，那么多合一方式是可行的。就我而言，我選擇了外部TVS和價格更便宜的收發器。

工作電壓

市場上大多數收發器的工作電壓均為5V，但專為3.3V設計的IC也非常受歡迎。如果不重新使用dc-dc轉換器，則無法提供較低的電源電壓。某些集成電路，例如Maxim Integrated的MAX14883E，都具有邏輯電平的電源輸入，無論收發器的電源如何，都可與1.8V器件實現互操作性。

圖1. MAX14883E簡化框圖，由Maxim Integrated提供

就我而言，我的MCU工作在3.3V，因此我也將其選擇用于CAN總線收發器。

速度

在小型網絡上，所有高速CAN總線收發器均可以高達1Mbps的速度運行。CAN-FD收發器可以高達5Mbps的速度運行，但是許多收發器僅限于較低的速度，例如2Mbps。 

最終的系統數據速率將受到總線電容，CAN總線標識符的分配以及正在傳輸的CAN幀類型的限制。最壞的情況通常是有效波特率是最大值的三分之一。

隔離

出于安全要求，可能需要隔離的CAN總線收發器。例如，在總線進入危險電壓的情況下，引入電流隔離可以保護電路的低壓部分。相同的隔離還可以通過斷開接地回路并允許節點之間的接地電勢有更大的差異來改善通信。

當然，隔離的CAN總線收發器將需要類似的隔離電源。

省電功能

許多收發器都包括一個模式選擇輸入，可用于降低IC的功耗并關閉發射器。通常，接收器保持活動狀態，并且RXD引腳可用于觸發微控制器中的喚醒中斷。

當通過至少幾kOhm的電阻將模式選擇輸入拉高或拉低時，模式選擇輸入有時會兼作斜率控制。減小信號斜率雖然可以限制帶寬，但允許收發器限制其產生的電磁干擾量。

總線和共模電壓范圍

所有符合ISO 11898–2的收發器都必須能夠承受-3V至+ 32V接地之間的CANH和CANL上的DC電壓，而不會中斷，能夠承受-150V至100V的瞬變，并且能夠以介于-2V和+ 7V。

幾乎所有市場上的IC都超出了這些要求，舉行了非正式的競賽，由誰來展示后臺發生的最重要的數字。

這里有一些例子：

零件號	制造商	CANH和CANL上的直流電壓
L9616	意法半導體	-5V至+ 36V
IFX1050G	英飛凌	-40V至+ 40V
TJA1051	恩智浦半導體	-58V至+ 58V
LTC2875	線性技術	+ 60V至+ 60V
的MAX14883E	Maxim Integrated	+ 63V至+ 63V

如今，高于50V的電壓已成為標準配置，因為許多車輛都采用48V混合動力系統，并且收發器應能夠承受與系統較高電壓供電軌短接的總線。

輸入阻抗

對于網絡中可以容納多少個節點沒有嚴格的規定，但是最關鍵的參數之一將是收發器上CANH和CANL之間的輸入阻抗。

高輸入阻抗將對總線產生邊際影響，并啟用更多節點。

智能防護

一些收發器實現了廣泛的保護功能，例如：

主導狀態超時：如果總線由于諸如硬件或軟件故障等原因保持主導狀態的時間過長，則會禁用輸出驅動器。

熱關機。

欠壓鎖定：在欠壓條件下禁用該設備。

隱性電源不足狀態：如果未正確供電，則設備不會以任何方式驅動總線。

限流：在正負電源電壓短路時提供保護。

自動波特率和僅收聽

大多數CAN總線收發器都包含僅偵聽模式，該模式將TXD反饋到RXD，而無需實際驅動總線。此功能通常用于自動確定總線波特率。

我的選擇

在我的設計中，我選擇了TJA1051，主要是因為我很便宜，并且它是市場上最便宜的IC之一。產品頁面可以在這里找到。

使用“制造商零件搜索”面板，我立即找到了包含足跡和3D的組件模型，并將它們放置在原理圖上。

圖2. Altium Designer中的制造商零件搜索面板。

第二步-推論被動

篩選

我無需提及我們將需要本地旁路電容器，對嗎？

此外，在CANH和CANL線上有一些通常為40pF至100pF的額外小容量電容器，這些電容器接地也可以幫助吸收ESD能量并改善EMI彈性。與往常一樣，總線電容的增加會降低總線速度，增加收發器輸出級的負載，并增加功耗。

終止

CAN總線的兩端應使用120歐姆的電阻器端接。當然，我們可以正確地計算瓦數（標準功率為1 / 4W，如果偏執則為1 / 2W），放置可愛的小電阻器，然后將其稱為一天。但是，為什么要使事情變得簡單呢？

到目前為止，我所見過的幾乎所有經過行業驗證的CAN總線板上都采用了一種更復雜的技術，即分接端接。

在分接終端中，兩個60歐姆的電阻器串聯使用，總計120歐姆。兩個電阻之間的電節點通過一個電容（通常為4.7nF）接地。 

已經計算出電容器的值，以便在網絡的基頻處獲得-3db的截止頻率。

就我而言，網絡的波特率應為1mbit / s。假設最壞的情況是，當網絡正在傳輸一系列交替的比特（01010101）時，信號將是頻率為500kHz或等于波特率一半的方波。

我們知道電阻為60歐姆，因此可以計算出電容器。

如果我們必須近似電容器的值，則稍小一點的電容器將對我們的寶貴信號產生較小的干擾。因此，最廣泛采用的值為4.7nF。

如果您需要一個無源組件庫，我會全力推薦Mark Harris的Celestial庫。它是免費，廣泛且精心策劃的。

TVS

如果您的系統不受嚴重的ESD干擾，則收發器IC中包含的保護可能就是所需的一切。

由于瞬態電壓抑制器的等效并聯電容較低，因此它們是常見的選擇。

其他過壓保護設備（例如MOV）通常具有較高的寄生電容，這會限制總線數據速率，尤其是對于具有許多節點的總線。

市場上有幾種專門為CAN總線設計的TVS二極管，例如，安森美半導體（ON Semiconductor）的NUP2105L，我決定在此設計中采用。

對于收發器，我可以使用“制造商零件搜索”面板從Altium 365庫中單擊一下來放置模型，而不必繪制原理圖符號和封裝。

圖3.使用制造商零件搜索面板放置NUP2105L TVS二極管。

第三步-設計PCB

保持緊繃（與本文不同）

如果您的電路沒有保護，則所有EMI電流都會從連接器直接流入收發器，然后再通過接地層流回。這就是電流要執行的操作，因為這是阻抗最小的路徑。

您所有的保護組件都應盡可能靠近該路徑，以免增加環路面積。此外，所有保護措施都應盡可能靠近連接器和電路板的邊緣，以防止噪聲耦合到電路的其余部分。

自然，不可能將所有內容都直接插入連接器，因此我們必須確定優先級。一般的經驗法則是將必須應對“最惡劣” EMI犯罪者的組件放在第一位。

在我們的情況下，TVS二極管必須處理高速大電流事件。由于快速脈沖中含有豐富的高頻成分，因此如果不加檢查就可以漫游到我們的電路板上，則它們將與所有可用的跡線耦合并中斷操作。

因此，TVS排在第一位。

如果中間沒有終端電阻，則共模扼流圈將排在第二位。

圖4.路由示例。

在我們的示例PCB中，仍有改進的空間。TVS二極管可以旋轉180度，以進一步減小ESD環路面積。電容器C5和C6也可以旋轉180度，并向右移一點。

使用飛機

每個PCB布局指南都在其中寫有“此接地平面”或“該接地平面”，如果您想要使EMI遠離電路板的柔軟腹部，就無法逃避。

使用地平面。

您要鉗制到地面的任何信號的下方都必須有一個接地層，以使阻抗最小的路徑盡可能短。TVS二極管應將脈沖直接放電到接地層，并通過低電感連接到電纜屏蔽層（如果有）。

通過技術使用低阻抗

如果將我們辛苦賺來的便士全部花費在電容器上，如果它們的作用將被接地走線的電感抵消，那將是沒有多大意義的。

圖5.低電感和高電感通孔設計示例。返回路徑為紅色。

在這種設計中，我在焊盤的郊區使用了過孔。與焊盤中的通孔技術不同，它在PCB的制造中不需要額外的步驟，因此不會增加成本。通孔必須固定；否則，錫膏會流入內部，并且焊盤將無法充分潤濕。

您可以在此處通過屬性找到有關Altium Designer的文檔。

圖6.低電感通孔設計的詳細視圖。

第五步-分享（毫不留情的銷售策略）

假設我們現在已經花了數小時閱讀可疑人物撰寫的文章，研究收發器，測試和驗證我們完善的CAN總線子電路。怎么辦？

您可以與整個組織共享原理圖圖紙，而這只需要幾秒鐘。

第一步是在一個原理圖文檔中設計電路，使用端口作為輸入和輸出，這與分層設計類似。

圖7.帶有輸入和輸出端口的完整電路。

使用資源管理器面板，創建一個新的“ Managed Schematic Sheets”文件夾。

圖8. Explorer面板內的Add folder窗口。

創建文件夾后，組織內的所有用戶都可以訪問該文件夾，您可以繼續上載原理圖圖紙。

圖9.資源管理器面板，其中包含新添加的托管原理圖。

現在，您可以將托管原理圖圖紙放置在任何項目中。

圖10.放置托管原理圖圖紙命令。

您的新托管原理圖表將以“重用”綠色符號區分。

圖11.放置在SchDoc上的托管原理圖。

如果您想知道為什么所有內容都是藍色而不是黃色和紅色，請查看我之前有關設計樣式的文章。

技巧和竅門

為存根添加額外的端接

可選的“弱”端接，例如1.3Kohm，可以幫助提高短截距的節點的EMI彈性。但是，相同的電阻會增加網絡負載，減少節點數量，降低總線的最終標稱阻抗并降低最大速度。

越多越好?；虿?？

如果您不受成本限制，并且輸入保護對您至關重要，則應考慮添加第二輪保護：

MOV（金屬氧化物壓敏電阻）或GDT（氣體放電管）“吸收”了比TVS可以處理的能量更高的能量。
在MOV / GDT和收發信機，諸如高脈沖電阻器，變阻器，或TBU之間的一些限流裝置?（由Bourns出售的花式半導體變阻器）。

但是，如果您始終牢記，這些設備可能會增加等效總線電容并降低數據速率并增加電流消耗，這將有所幫助。

共模扼流圈很棒，但很危險

標準模式扼流圈是CAN-Bus上最常用的濾波器類型，雖然效果很好，但是您應該考慮一些缺點。

共模扼流圈會與CAN總線總線的寄生電容產生諧振，從而導致在某些特定頻段內噪聲增大。由于很少精確指定共模扼流圈中的電感，并且寄生電容會隨電纜長度而變化很大，因此這種影響會使CAN總線設備的EMI特性無法預測。如果使用非屏蔽電纜，則電容會根據電纜與接地金屬表面的接近程度而變化。

眾所周知，共模電感在共模下的作用類似于電感。咄。某些故障情況（例如電源或接地短路）會導致高瞬態共模電流。在某些情況下，由共模扼流圈的電感產生的過壓會損壞CAN總線收發器。這些過電壓很難調試，因為它們是在過電壓保護之后產生的，該保護通常位于電路板的邊緣。

扼流圈的第三個缺點是……它們可能很昂貴。高速差分信號需要非常低的電流泄漏。

一些IC制造商，尤其是德州儀器（TI），正在推動用于“無扼流” CAN總線網絡的隔離且具有高EMI容限的設備。

我非常喜歡它們，因此我決定使用專為CAN總線應用設計的共模扼流圈。