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)絡的一個設計挑戰(zhàn)，特別是當采用開關型穩(wěn)壓器供電時。CAN系統(tǒng)的網(wǎng)絡配線是一個關鍵問題，由于CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L引腳是連接整個汽車總線網(wǎng)絡的接口。設計時如果不謹慎，可能從CAN電源產(chǎn)生較大干擾，干擾信號通過收發(fā)器，經(jīng)過總線最終進入其它ECU，或進入鄰近的線纜。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，我們測試了采用MAX1759電荷泵供電的MAX13041的EMC特性，并與采用經(jīng)過濾波的5V電源供電的收發(fā)器的EMC特性進行比較。由此，我們可以看到電荷泵的EMC干擾和電荷泵對CAN總線傳輸電源干擾的抑制能力。在本測試中，我們主要考慮兩個方面：電磁抗擾(EMI)和電磁輻射(EME)。

　　4. 電磁抗擾測試(EMI)

　　ISO 11452規(guī)范規(guī)定了幾種抗RF干擾的測試方法，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性(采用精心設計的測試板)，并且測試工作量不大，因此我們選用了該方法。DPI測試原理非常簡單：向總線電纜注入特定的經(jīng)過調制或未經(jīng)調制的交流電壓，通過收發(fā)器的RXD引腳檢測傳輸數(shù)據(jù)的信號完整性。這種方法還便于比較不同廠商的設計，可以在獨立的實驗室測試CAN收發(fā)器(如IBEE)。

　　5. 測試裝置

　　測試裝置(圖4)包括三個焊接在PCB上的相同收發(fā)器，其中一個收發(fā)器由MAX1759電荷泵供電，節(jié)點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端口進行監(jiān)測。對于Rx1至Rx3輸出以及TxD1輸入的RF去耦，采用1k?電阻。每個收發(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。測試電路中，總線端接采用60? R4電阻進行中心端接。對稱的RF耦合/去耦采用RC并聯(lián)網(wǎng)絡，由R5/R6=120?、C3/C4=4.7nF組成。外部3.3V、5V、12V電源由標準電源提供，通過濾波網(wǎng)絡進行濾波。

　　6. 測試步驟

　　對正常工作模式下的CAN收發(fā)器MAX13041進行測試，在第一輪測試中，所有收發(fā)器采用標準VCC = 5V電源供電;第二輪測試中，其中一個收發(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1的TXD引腳的CAN信號(交替的0-1-0數(shù)據(jù))。RF輸入HF發(fā)生器(HF1)對CAN總線注入一個固定頻率的調幅(AM)交流電壓，功率為36dBm，用于模擬干擾信號。

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

　　如果達到失效條件(例如，如果一個收發(fā)器的RXD信號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重復相同測試，直到解除失效狀態(tài)。然后，記錄當前的功率值并調整到下一頻率步長。測試頻率范圍覆蓋10MHz至100MHz。

　　7. DPI測試結果

　　圖5所示為標準5V電源作用在VCC為MAX13041供電時的測試結果(藍色)，以及由電荷泵為MAX13041供電時的測試結果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示沒有發(fā)生失效的情況下作允許的最大注入功率。

　　藍線和粉線幾乎相同，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，當電路受到任何EMI干擾時，為MAX13041 CAN收發(fā)器供電的MAX1759電荷泵不會明顯影響電路性能。

　　8. 輻射測試(EME)

　　輻射測試在同一個電路板進行，除了將功率注入電路(HF發(fā)生器)替換為頻譜分析儀外，測試裝置與DPI測試相同。測試也是在CAN收發(fā)器正常工作模式下進行。第一輪測試在所有收發(fā)器采用標準VCC = 5V電源供電條件下進行;第二輪測試在一個CAN節(jié)點由電荷泵供電的條件下進行。在CAN TXD輸入作用一個方波信號(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頻率范圍內進行測量和記錄，無需示波器(圖4)。

　　9. 輻射測試結果

　　圖6給出了標準5V電源作用在VCC為MAX13041供電的測試結果(藍色)，以及電荷泵供電條件下的MAX13041測試結果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示干擾信號電平。

　　與采用標準5V供電的MAX13041 (藍色)相比，藍線峰值和粉線峰值(其中一個收發(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。測試結果表明，采用電荷泵為CAN收發(fā)器供電并沒有明顯影響系統(tǒng)整體的EMC特性。如果選擇其他半導體廠家的收發(fā)器或電荷泵，最好對所選器件進行類似測試，因為每個供應商的產(chǎn)品性能有所不同。

　　本文小結

　　在CAN應用中，實現(xiàn)電磁兼容目標是極具挑戰(zhàn)性的設計問題，特別是當收發(fā)器由開關穩(wěn)壓器(電荷泵)供電時。但是，本文推薦的電荷泵不會對電路的EMC特性產(chǎn)生明顯影響。對于要求以低成本實現(xiàn)低功耗、低電壓工作的應用，系統(tǒng)設計人員在沒有現(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。