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          EEPW首頁(yè) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > AN-13-0004_CAN收發(fā)器節(jié)點(diǎn)計(jì)算與外圍電路參考設(shè)計(jì)

          AN-13-0004_CAN收發(fā)器節(jié)點(diǎn)計(jì)算與外圍電路參考設(shè)計(jì)

          作者:Lele Zhang,Fuming Deng 時(shí)間:2024-11-22 來(lái)源:EEPW 收藏
          編者按:隨著汽車(chē)內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)的控制都在向智能化和自動(dòng)化轉(zhuǎn)變,汽車(chē)電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜,不同的OEM和汽車(chē)廠商紛紛研究定義不同汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn),以減少線束網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和降低電子系統(tǒng)的故障,同時(shí)降低整車(chē)成本。其中CAN總線在汽車(chē)總線中應(yīng)用最為廣泛,采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约疤嵘鼸MC性能對(duì)CAN收發(fā)器在環(huán)境復(fù)雜的汽車(chē)應(yīng)用中有著重要意義。納芯微推出了多款可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)應(yīng)用的CAN收發(fā)器。本篇應(yīng)用筆記主要對(duì) 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量計(jì)算以及收發(fā)器的外圍電路設(shè)計(jì)選擇進(jìn)行介紹。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202411/464871.htm

          1   CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算

          一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中,總線所能支持掛載的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)是衡量CAN收發(fā)器性能的一個(gè)重要參數(shù)。影響CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量的因素可以從CAN收發(fā)器的物理層和協(xié)議層兩個(gè)方面去考慮。

          首先物理層方面,總線節(jié)點(diǎn)的輸出差分電壓大小決定了CAN總線電平能否被正常識(shí)別,通訊能否正常進(jìn)行,主要由總線負(fù)載電阻RL來(lái)決定,而RL取決千總線終端匹配電阻以及各節(jié)點(diǎn)總線差分輸入電阻Rdif,我們可以通過(guò)如下方式從物理層角度去估算—個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。

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          圖1 n個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)?/em>

          圖1為掛載n 個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)的總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D,其中RT為終端匹配電阻,Rdif為CAN收發(fā)器的總線差分輸入電阻。可以通過(guò)電路等效的方法得到如下所示簡(jiǎn)易拓?fù)鋱D:

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          圖2 n個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

          如圖2所示,Node1作為信號(hào)發(fā)送,Noden作為信號(hào)接收。從Node1端看進(jìn)去的線路等效電阻為

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          將(1)式化簡(jiǎn)可得

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          RT為終端匹配電阻,此處取120 Ω;Rdif 為差分輸入電阻,這里取20 kΩ;RL可支持的負(fù)載電阻范圍為45Ω ~700Ω,當(dāng)RL=45 Ω 時(shí),n 取最大值為112。所以在此參數(shù)條件下的CAN總線網(wǎng)絡(luò)中,最多可支持掛載112 個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)。

          從協(xié)議層方面來(lái)考慮,當(dāng)總線節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,總線越長(zhǎng),線路寄生越大,對(duì)于本地節(jié)點(diǎn)信號(hào)自發(fā)自收的工況下,總線寄生越大,有可能導(dǎo)致回環(huán)回來(lái)的信號(hào)衰減較多,CAN控制器的采樣發(fā)生錯(cuò)誤,導(dǎo)致通訊異常;而對(duì)于相距較遠(yuǎn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的工況下,中間節(jié)點(diǎn)越多,線路越長(zhǎng),導(dǎo)致信號(hào)傳播延時(shí)較長(zhǎng),接收端在接收到發(fā)送端發(fā)出的CAN信號(hào)后會(huì)進(jìn)行幀內(nèi)應(yīng)答(ACK),傳播延時(shí)較長(zhǎng)可能導(dǎo)致應(yīng)答不及時(shí),通訊失敗。所以在計(jì)算CAN總線最大掛載節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí),應(yīng)考慮線路寄生以及傳播延時(shí)的影響,具體要求為由線路寄生較大引起的信號(hào)衰減不應(yīng)使得CAN控制器的采樣出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致通訊異常;同時(shí)信號(hào)在傳輸路徑上的傳播延時(shí)應(yīng)小于1/2的位時(shí)間,保證接收節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)應(yīng)答,不會(huì)導(dǎo)致通訊失敗。

          2   CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)參考

          在汽車(chē)應(yīng)用中,EMC問(wèn)題一直是一個(gè)廣泛關(guān)注的問(wèn)題,而與傳統(tǒng)汽車(chē)相比,新能源汽車(chē)的EMC問(wèn)題更加突出,因此對(duì)于汽車(chē)中大量使用的總線接口芯片的EMC性能要求也比較高。為了獲得較好的EMC 性能,除了芯片設(shè)計(jì)的考慮之外,系統(tǒng)中芯片外圍電路的補(bǔ)充完善也是至關(guān)重要的。這一部分將著重介紹一下CAN芯片外圍電路的一些參考設(shè)計(jì)( 如圖3 所示)。

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          圖3 CAN總線外圍電路參考設(shè)計(jì)示意圖

          2.1   共模電感(Commonmodechoke-CMC)

          共模電感的特性是對(duì)于共模信號(hào)表現(xiàn)較高的阻抗,對(duì)于差模信號(hào)表現(xiàn)較低的阻抗,所以對(duì)于共模噪聲干擾有較強(qiáng)的抑制作用。在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)中,共模電感經(jīng)常被用來(lái)提升系統(tǒng)EMC性能,除了可以濾除掉系統(tǒng)本身通過(guò)CAN總線發(fā)射出去的干擾噪聲,減小對(duì)其他系統(tǒng)的影響,同時(shí)也可以抑制其它系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾噪聲對(duì)CAN總線通信的影響。

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          CANFD=5Mbps不加CMC的EMI測(cè)試結(jié)果

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          圖4 CANFD=5Mbps加CMC的EMI測(cè)試結(jié)果

          圖4所示為NOVOSENSECAN收發(fā)器EMI測(cè)試結(jié)果,分別為總線加commonmodechoke(CMC)和不加CMC的測(cè)試結(jié)果,對(duì)比可見(jiàn)CMC對(duì)于通過(guò)CAN總線發(fā)射出去的電磁干擾有較強(qiáng)的抑制作用。

          通常我們?cè)贑MC選型時(shí)需要關(guān)注電感值、泄露電感(leakageinductance)、直流電阻(DCresistance)、模式轉(zhuǎn)換特性(modeconversioncharacteristics) 等特性。

          ●   電感值

          對(duì)于CMC電感值的選取我們需要從抑制總線共模噪聲方面去考慮。在CAN總線的共模噪聲頻率處,CMC應(yīng)具有盡可能高的電感值,表現(xiàn)為高阻抗抑制共模噪聲的傳播,電感值較小對(duì)于共模噪聲的抑制效果會(huì)不佳,而電感值較大又會(huì)有尺寸和成本方面的限制。建議對(duì)于500 kbps的CAN通信可以采用51 uH電感值的CMC,對(duì)于2 Mbps 的CANFD 通訊可以采用100 uH 電感值的CMC。

          ●   泄漏電感

          泄漏電感也稱(chēng)差模電感,對(duì)差模信號(hào)有一定的抑制作用。泄露電感較大可能會(huì)導(dǎo)致CAN信號(hào)產(chǎn)生振鈴,影響CAN總線正常通訊。而一定的泄露電感,又可以起到抑制CAN總線中差模電流的作用,提升系統(tǒng)的EMI性能。所以應(yīng)該綜合考慮泄露電感的影響,只要不在總線信號(hào)上產(chǎn)生較大振鈴,干擾總線正常通訊,適當(dāng)?shù)男孤峨姼惺怯欣摹?/p>

          ●   直流電阻

          共模電感的直流電阻越大,總線信號(hào)的損耗越大,傳輸效率越低。在確定了共模電感的電感值后,應(yīng)該選取直流電阻盡可能小的CMC。

          ●   CMC的模式轉(zhuǎn)換特性

          共模電感的模式轉(zhuǎn)換特性,反映的是共模電感上下線圈的對(duì)稱(chēng)性,通過(guò)Ssd12/Sds21參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。Ssd12/Sds21參數(shù)差別越大,模式轉(zhuǎn)換特性越大,表示CMC上下線圈的不對(duì)稱(chēng)性較大,會(huì)在CAN總線通信過(guò)程中引入新的共模噪聲,降低CMC的EMI濾波性能。所以我們應(yīng)選取Ssd12/Sds21兩個(gè)參數(shù)比較接近的CMC。

          如圖5所示為DLW32SH101XF2的阻抗與頻率特性曲線。整體來(lái)看,CMC具有較高的共模阻抗,用以抑制共模噪聲。在CAN總線通訊的頻段,CMC具有較高的共模阻抗Zc以及較小的差模阻抗Zd,保證抑制共模噪聲的同時(shí)不會(huì)影響總線的正常通訊。

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          圖5 CMC阻抗-頻率特性曲線

          在CAN網(wǎng)絡(luò)正常通訊過(guò)程中,如果總線發(fā)生異常故障,比如總線短路到BAT或者Vcc,由于CMC的存在,可能會(huì)在總線上產(chǎn)生臨近或者超過(guò)總線耐受電壓的瞬態(tài)電壓。對(duì)于NOVOSENSE系列的CAN收發(fā)器,這種因?yàn)榭偩€短路在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓,滿足芯片總線引腳內(nèi)部ESD防護(hù)電路的開(kāi)啟條件,總線上由于CMC感生出來(lái)的過(guò)壓能量會(huì)通過(guò)內(nèi)部的ESD防護(hù)電路完全泄放掉,不會(huì)對(duì)芯片造成任何損傷。

          2.2 終端分立電阻

          在具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò)中,我們通過(guò)總線連接各個(gè)CAN收發(fā)器的CANH、CANL引腳進(jìn)行通信,通常會(huì)在首端節(jié)點(diǎn)和末端節(jié)點(diǎn)的總線上各并聯(lián)一個(gè)電阻,其阻值一般與總線的特征阻抗保持一致,這個(gè)電阻的作用主要有以下幾點(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總線的特征阻抗一般為120Ω,而CAN收發(fā)器隱性狀態(tài)下的總線差分輸入電阻為幾十kΩ,發(fā)射節(jié)點(diǎn)的信號(hào)在經(jīng)過(guò)總線傳輸?shù)浇邮展?jié)點(diǎn)后,會(huì)發(fā)生信號(hào)反射,導(dǎo)致總線信號(hào)產(chǎn)生振鈴,影響CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信。在接收端并聯(lián)一個(gè)與總線特征阻抗匹配的電阻后,可以吸收掉信號(hào)到達(dá)接收端的多余能量,避免振鈴的產(chǎn)生,保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

          ●   總線負(fù)載電阻在45Ω ~ 70Ω范圍之間,提升總線的抗干擾性能

          因?yàn)镃AN收發(fā)器的輸入差分電阻阻值為幾十kΩ,在總線隱性狀態(tài)下,外部的一些輕微干擾通過(guò)幾十kΩ的電阻就有可能在總線上產(chǎn)生滿足顯性的差分電壓,改變總線狀態(tài),所以需要在總線處并聯(lián)一個(gè)阻值較小的電阻來(lái)吸收外部的一些干擾,同時(shí)考慮到CAN收發(fā)器的總線輸出電壓范圍,并聯(lián)的電阻值應(yīng)使得這一節(jié)點(diǎn)的外部等效負(fù)載電阻在45 Ω ~ 70 Ω 之間。

          ●   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)程也可以看作是一個(gè)對(duì)電容的充放電過(guò)程。沒(méi)有并聯(lián)終端電阻的情況下,顯性切換到隱性時(shí),總線寄生電容僅通過(guò)CAN 收發(fā)器幾十kΩ 的內(nèi)阻進(jìn)行放電,過(guò)程比較緩慢,會(huì)導(dǎo)致信號(hào)下降很慢,在一些通訊速率較快的網(wǎng)絡(luò)中,會(huì)影響CAN 的正常通訊。通過(guò)在CAN 總線并聯(lián)一個(gè)阻值較小的匹配電阻,可以加速放電過(guò)程,加快總線信號(hào)的下降沿,使得總線由顯性快速切入隱性狀態(tài)。如圖6、圖7 所示,分別為不加終端電阻和加上終端匹配電阻時(shí)的CAN總線波形。

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          圖6 不加終端匹配電阻CAN總線波形

          1732259910914954.png

          圖7 加60 Ω終端匹配電阻CAN總線波形

          如圖6所示,不加終端匹配電阻的情況下,總線由顯性切換到隱性狀態(tài)時(shí),電平下降緩慢,幾乎占據(jù)整個(gè)隱性bit位時(shí)間( 通訊速率=1Mbps),會(huì)導(dǎo)致CAN通訊異常;而加了終端匹配電阻的情形下,電平下降較快,總線波形較為理想。

          為了進(jìn)一步提升CAN收發(fā)器的EMC性能,建議將單個(gè)終端匹配電阻分為兩個(gè)相等電阻串聯(lián)的方式,并在中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)電容連接到GND,如圖8 所示。這樣的連接方式可以為總線上的共模干擾提供額外的路徑,進(jìn)一步降低總線共模噪聲的影響,同時(shí)也形成了一個(gè)RC低通濾波器,濾除一些高頻噪聲干擾。對(duì)于那些處于CAN網(wǎng)絡(luò)中的一些中間節(jié)點(diǎn),也可以采用這樣的端接電阻方法,進(jìn)一步提升中間節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量,如圖6所示。

          1732249835628582.png

          圖8 CAN總線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)終端分立電阻示意圖

          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:

          image.png

          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。

          2.3 總線電容

          除了通過(guò)總線上加CMC以及采用分立終端匹配電阻的方法來(lái)提升CAN總線的EMC性能,分別在CANH和CANL上加一個(gè)對(duì)地電容,也可以濾除總線上的一些高頻噪聲,能在一定程度上提升CAN總線的EMC性能。當(dāng)然對(duì)地電容值的選取需要綜合考慮多種因素,如果電容過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致總線信號(hào)衰減,上升和下降時(shí)間增大,縮短bit 時(shí)間,影響總線正常通訊;同時(shí)對(duì)地電容容值與信號(hào)源的阻抗所組成的RC 低通濾波器截止頻率應(yīng)高于CAN總線的通訊速率,保證CAN總線的正常通訊。所以需要綜合考慮總線長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通訊速率等因素來(lái)選擇合適的對(duì)地電容。一般建議對(duì)于2 Mbps的CANFD通訊,總線對(duì)地電容不超過(guò)100 pF。

          2.4   ESD保護(hù)二極管

          在汽車(chē)或者工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)于一些有外部連接接口的系統(tǒng),在安裝和維護(hù)過(guò)程中積累的過(guò)量電荷會(huì)通過(guò)接口線纜流入模塊,這些放電能量足夠高有可能高達(dá)幾十kv,那么位于接口端的接口芯片就會(huì)首當(dāng)其沖,被放電能量損壞,導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作。所以保護(hù)接口收發(fā)器免受ESD的影響對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。對(duì)于CAN收發(fā)器,雖然芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了相關(guān)的ESD保護(hù)電路,但是受限于芯片尺寸,一般總線端的ESD防護(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到一些環(huán)境下的ESD沖擊。因此,需要使用外部ESD保護(hù)二極管來(lái)提升系統(tǒng)端的ESD防護(hù)能力,瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管就是常用于外部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)表征TVS管不導(dǎo)通狀態(tài)下的最大電壓。在CAN總線正常工作情況下,TVS管應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài),當(dāng)CAN總線出現(xiàn)異常過(guò)壓達(dá)到TVS擊穿電壓時(shí),TVS管由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài),將總線異常過(guò)壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)流泄放到地。所以TVS管的反向關(guān)斷電壓應(yīng)高于CAN總線的正常工作電壓,否則就會(huì)影響CAN總線的正常通訊。一般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)

          VBR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VBR會(huì)略高于VRWMo

          ● 鉗位電壓(VCL)

          VCL表征在峰值脈沖電流下TVS管的最大鉗位電壓。在CAN系統(tǒng)應(yīng)用中,TVS管的VCL應(yīng)不超過(guò)總線的絕對(duì)最大額定電壓(AMR),否則就有可能損壞CAN收發(fā)器。

          ●   峰值脈沖功率(PPP)

          峰值脈沖功率為峰值脈沖電流與鉗位電壓Va的乘積,PPP越大,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)效果更好。所以在選定VCL的前提下,應(yīng)選擇PPP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,對(duì)于CAN總線通訊頻率,應(yīng)選擇具有較低寄生電容的TVS管,避免對(duì)總線信號(hào)產(chǎn)生較大衰減,影響通信。

          TVS管應(yīng)盡可能放置于模塊對(duì)外連接處,以便快速將外部能量泄放到地。TVS管的走線應(yīng)盡可能的短,以減少線路的寄生電感以及阻抗影響: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。

          (本文來(lái)源于《EEPW》



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