CAN總線(xiàn)：設計CAN總線(xiàn)電路

2021-04-20

CAN總線(xiàn)：設計CAN總線(xiàn)電路

CAN總線(xiàn)節點(diǎn)中包含三個(gè)主要組件：

微處理器

CAN總線(xiàn)控制器

CAN總線(xiàn)收發(fā)器

CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )協(xié)議ISO 11898-1的所有低級功能，而收發(fā)器則與物理層進(jìn)行通信。不同的物理層需要使用不同的收發(fā)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(shí)現中，CAN總線(xiàn)控制器和微處理器被集成為支持CAN的微控制器。市場(chǎng)上有帶SPI接口的外部CAN總線(xiàn)控制器，主要由Microchip制造，但它們通常會(huì )增加不必要的成本和復雜性。

在本文中，我們將研究從收發(fā)器到CAN總線(xiàn)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(xiàn)電路了！

第一步-選擇合適的IC

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

快速搜索合適的Octopart類(lèi)別后，可以發(fā)現，領(lǐng)先的CAN總線(xiàn)收發(fā)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(fā)器看起來(lái)都很相似，但是它們的功能和性能都不同。

靜電防護

市場(chǎng)上第一批CAN總線(xiàn)收發(fā)器幾乎沒(méi)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(guò)外部組件來(lái)實(shí)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(xiàn)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(xiàn)性技術(shù)	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(yōu)質(zhì)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(jià)格更便宜的收發(fā)器。

工作電壓

市場(chǎng)上大多數收發(fā)器的工作電壓均為5V，但專(zhuān)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(wú)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(wú)論收發(fā)器的電源如何，都可與1.8V器件實(shí)現互操作性。

圖1. MAX14883E簡(jiǎn)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(xiàn)收發(fā)器。

速度

在小型網(wǎng)絡(luò )上，所有高速CAN總線(xiàn)收發(fā)器均可以高達1Mbps的速度運行。CAN-FD收發(fā)器可以高達5Mbps的速度運行，但是許多收發(fā)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(xiàn)電容，CAN總線(xiàn)標識符的分配以及正在傳輸的CAN幀類(lèi)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(xiàn)收發(fā)器。例如，在總線(xiàn)進(jìn)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(guò)斷開(kāi)接地回路并允許節點(diǎn)之間的接地電勢有更大的差異來(lái)改善通信。

當然，隔離的CAN總線(xiàn)收發(fā)器將需要類(lèi)似的隔離電源。

省電功能

許多收發(fā)器都包括一個(gè)模式選擇輸入，可用于降低IC的功耗并關(guān)閉發(fā)射器。通常，接收器保持活動(dòng)狀態(tài)，并且RXD引腳可用于觸發(fā)微控制器中的喚醒中斷。

當通過(guò)至少幾kOhm的電阻將模式選擇輸入拉高或拉低時(shí)，模式選擇輸入有時(shí)會(huì )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(fā)器限制其產(chǎn)生的電磁干擾量。

總線(xiàn)和共模電壓范圍

所有符合ISO 11898–2的收發(fā)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(huì )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(chǎng)上的IC都超出了這些要求，舉行了非正式的競賽，由誰(shuí)來(lái)展示后臺發(fā)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(xiàn)性技術(shù)	+ 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(chē)輛都采用48V混合動(dòng)力系統，并且收發(fā)器應能夠承受與系統較高電壓供電軌短接的總線(xiàn)。

輸入阻抗

對于網(wǎng)絡(luò )中可以容納多少個(gè)節點(diǎn)沒(méi)有嚴格的規定，但是最關(guān)鍵的參數之一將是收發(fā)器上CANH和CANL之間的輸入阻抗。

高輸入阻抗將對總線(xiàn)產(chǎn)生邊際影響，并啟用更多節點(diǎn)。

智能防護

一些收發(fā)器實(shí)現了廣泛的保護功能，例如：

主導狀態(tài)超時(shí)：如果總線(xiàn)由于諸如硬件或軟件故障等原因保持主導狀態(tài)的時(shí)間過(guò)長(cháng)，則會(huì )禁用輸出驅動(dòng)器。

熱關(guān)機。

欠壓鎖定：在欠壓條件下禁用該設備。

隱性電源不足狀態(tài)：如果未正確供電，則設備不會(huì )以任何方式驅動(dòng)總線(xiàn)。

限流：在正負電源電壓短路時(shí)提供保護。

自動(dòng)波特率和僅收聽(tīng)

大多數CAN總線(xiàn)收發(fā)器都包含僅偵聽(tīng)模式，該模式將TXD反饋到RXD，而無(wú)需實(shí)際驅動(dòng)總線(xiàn)。此功能通常用于自動(dòng)確定總線(xiàn)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(chǎng)上最便宜的IC之一。產(chǎn)品頁(yè)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(dòng)

篩選

我無(wú)需提及我們將需要本地旁路電容器，對嗎？

此外，在CANH和CANL線(xiàn)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(xiàn)電容的增加會(huì )降低總線(xiàn)速度，增加收發(fā)器輸出級的負載，并增加功耗。

終止

CAN總線(xiàn)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(ài)的小電阻器，然后將其稱(chēng)為一天。但是，為什么要使事情變得簡(jiǎn)單呢？

到目前為止，我所見(jiàn)過(guò)的幾乎所有經(jīng)過(guò)行業(yè)驗證的CAN總線(xiàn)板上都采用了一種更復雜的技術(shù)，即分接端接。

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

已經(jīng)計算出電容器的值，以便在網(wǎng)絡(luò )的基頻處獲得-3db的截止頻率。

就我而言，網(wǎng)絡(luò )的波特率應為1mbit / s。假設最壞的情況是，當網(wǎng)絡(luò )正在傳輸一系列交替的比特（01010101）時(shí)，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(diǎn)的電容器將對我們的寶貴信號產(chǎn)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(gè)無(wú)源組件庫，我會(huì )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?chē)乐氐?span>ESD干擾，則收發(fā)器IC中包含的保護可能就是所需的一切。

由于瞬態(tài)電壓抑制器的等效并聯(lián)電容較低，因此它們是常見(jiàn)的選擇。

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

市場(chǎng)上有幾種專(zhuān)門(mén)為CAN總線(xiàn)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(fā)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(lái)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(méi)有保護，則所有EMI電流都會(huì )從連接器直接流入收發(fā)器，然后再通過(guò)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(huán)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(yōu)先級。一般的經(jīng)驗法則是將必須應對“最?lèi)毫?span>” 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(xiàn)耦合并中斷操作。

因此，TVS排在第一位。

如果中間沒(méi)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(jìn)的空間。TVS二極管可以旋轉180度，以進(jìn)一步減小ESD環(huán)路面積。電容器C5和C6也可以旋轉180度，并向右移一點(diǎn)。

使用飛機

每個(gè)PCB布局指南都在其中寫(xiě)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(wú)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(gè)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(guò)低電感連接到電纜屏蔽層（如果有）。

通過(guò)技術(shù)使用低阻抗

如果將我們辛苦賺來(lái)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(xiàn)的電感抵消，那將是沒(méi)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(pán)的郊區使用了過(guò)孔。與焊盤(pán)中的通孔技術(shù)不同，它在PCB的制造中不需要額外的步驟，因此不會(huì )增加成本。通孔必須固定；否則，錫膏會(huì )流入內部，并且焊盤(pán)將無(wú)法充分潤濕。

您可以在此處通過(guò)屬性找到有關(guān)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(xiāo)售策略）

假設我們現在已經(jīng)花了數小時(shí)閱讀可疑人物撰寫(xiě)的文章，研究收發(fā)器，測試和驗證我們完善的CAN總線(xiàn)子電路。怎么辦？

您可以與整個(gè)組織共享原理圖圖紙，而這只需要幾秒鐘。

第一步是在一個(gè)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(lèi)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(chuàng )建一個(gè)新的“ Managed Schematic Sheets”文件夾。

圖8. Explorer面板內的Add folder窗口。

創(chuàng )建文件夾后，組織內的所有用戶(hù)都可以訪(fǎng)問(wèn)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(guān)設計樣式的文章。

技巧和竅門(mén)

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(diǎn)的EMI彈性。但是，相同的電阻會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )負載，減少節點(diǎn)數量，降低總線(xiàn)的最終標稱(chēng)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(guān)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(fā)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(huì )增加等效總線(xiàn)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(lèi)型，雖然效果很好，但是您應該考慮一些缺點(diǎn)。

共模扼流圈會(huì )與CAN總線(xiàn)總線(xiàn)的寄生電容產(chǎn)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(huì )隨電纜長(cháng)度而變化很大，因此這種影響會(huì )使CAN總線(xiàn)設備的EMI特性無(wú)法預測。如果使用非屏蔽電纜，則電容會(huì )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(lèi)似于電感。咄。某些故障情況（例如電源或接地短路）會(huì )導致高瞬態(tài)共模電流。在某些情況下，由共模扼流圈的電感產(chǎn)生的過(guò)壓會(huì )損壞CAN總線(xiàn)收發(fā)器。這些過(guò)電壓很難調試，因為它們是在過(guò)電壓保護之后產(chǎn)生的，該保護通常位于電路板的邊緣。

扼流圈的第三個(gè)缺點(diǎn)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(dòng)用于“無(wú)扼流” CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(zhuān)為CAN總線(xiàn)應用設計的共模扼流圈。