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CAN總線：設(shè)計(jì)CAN總線電路
CAN總線：設(shè)計(jì)CAN總線電路
CAN總線節(jié)點(diǎn)中包含三個(gè)主要組件：
微處理器
CAN總線控制器
CAN總線收發(fā)器
CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO 11898-1的所有低級(jí)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(cuò)罐或具有可變數(shù)據(jù)速率的高速罐。
在典型的實(shí)現(xiàn)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(chǎng)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(huì)增加不必要的成本和復(fù)雜性。
在本文中，我們將研究從收發(fā)器到CAN總線連接器的電路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在該弄臟我們的手，設(shè)計(jì)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(fā)器的運(yùn)行方式相似，因?yàn)樗鼈兾挥趯?shí)現(xiàn)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(yīng)仔細(xì)考慮一些差異。
快速搜索合適的Octopart類別后，可以發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)先的CAN總線收發(fā)器制造商按照所提供的IC數(shù)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)器看起來都很相似，但是它們的功能和性能都不同。
靜電防護(hù)
市場(chǎng)上第一批CAN總線收發(fā)器幾乎沒有針對(duì)ESD（靜電釋放）事件的保護(hù)。他們要求所有I / O保護(hù)都必須通過外部組件來實(shí)現(xiàn)。
幸運(yùn)的是，情況已不再如此。以下是一些隨機(jī)IC及其在總線引腳上的HBU（人體模型）ESD容限：
|
零件號(hào) |
制造商 |
ESD HBM容限 |
|
L9616 |
意法半導(dǎo)體 |
6kV |
|
IFX1050G |
英飛凌 |
6kV |
|
TJA1051 |
恩智浦半導(dǎo)體 |
8kV |
|
LTC2875 |
線性技術(shù) |
25kV的 |
|
的MAX14883E |
Maxim Integrated |
22kV的 |
較高的ESD耐受性可以節(jié)省外部保護(hù)，但您應(yīng)該意識(shí)到，在優(yōu)質(zhì)TVS二極管上花費(fèi)幾美分可以極大地提高可靠性。
如果您的應(yīng)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(shù)收發(fā)器的工作電壓均為5V，但專為3.3V設(shè)計(jì)的IC也非常受歡迎。如果不重新使用dc-dc轉(zhuǎn)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(fā)器的電源如何，都可與1.8V器件實(shí)現(xiàn)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總線收發(fā)器。
速度
在小型網(wǎng)絡(luò)上，所有高速CAN總線收發(fā)器均可以高達(dá)1Mbps的速度運(yùn)行。CAN-FD收發(fā)器可以高達(dá)5Mbps的速度運(yùn)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(tǒng)數(shù)據(jù)速率將受到總線電容，CAN總線標(biāo)識(shí)符的分配以及正在傳輸?shù)?span>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(fā)器。例如，在總線進(jìn)入危險(xiǎn)電壓的情況下，引入電流隔離可以保護(hù)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(jié)點(diǎn)之間的接地電勢(shì)有更大的差異來改善通信。
當(dāng)然，隔離的CAN總線收發(fā)器將需要類似的隔離電源。
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(dāng)通過至少幾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(hào)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(jìng)賽，由誰來展示后臺(tái)發(fā)生的最重要的數(shù)字。
這里有一些例子：
|
零件號(hào) |
制造商 |
CANH和CANL上的直流電壓 |
|
L9616 |
意法半導(dǎo)體 |
-5V至+ 36V |
|
IFX1050G |
英飛凌 |
-40V至+ 40V |
|
TJA1051 |
恩智浦半導(dǎo)體 |
-58V至+ 58V |
|
LTC2875 |
線性技術(shù) |
+ 60V至+ 60V |
|
的MAX14883E |
Maxim Integrated |
+ 63V至+ 63V |
如今，高于50V的電壓已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，因?yàn)樵S多車輛都采用48V混合動(dòng)力系統(tǒng)，并且收發(fā)器應(yīng)能夠承受與系統(tǒng)較高電壓供電軌短接的總線。
輸入阻抗
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中可以容納多少個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有嚴(yán)格的規(guī)定，但是最關(guān)鍵的參數(shù)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(duì)總線產(chǎn)生邊際影響，并啟用更多節(jié)點(diǎn)。
智能防護(hù)
一些收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了廣泛的保護(hù)功能，例如：
主導(dǎo)狀態(tài)超時(shí)：如果總線由于諸如硬件或軟件故障等原因保持主導(dǎo)狀態(tài)的時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)禁用輸出驅(qū)動(dòng)器。
熱關(guān)機(jī)。
欠壓鎖定：在欠壓條件下禁用該設(shè)備。
隱性電源不足狀態(tài)：如果未正確供電，則設(shè)備不會(huì)以任何方式驅(qū)動(dòng)總線。
限流：在正負(fù)電源電壓短路時(shí)提供保護(hù)。
自動(dòng)波特率和僅收聽
大多數(shù)CAN總線收發(fā)器都包含僅偵聽模式，該模式將TXD反饋到RXD，而無需實(shí)際驅(qū)動(dòng)總線。此功能通常用于自動(dòng)確定總線波特率。
我的選擇
在我的設(shè)計(jì)中，我選擇了TJA1051，主要是因?yàn)槲液鼙阋?，并且它是市?chǎng)上最便宜的IC之一。產(chǎn)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(dòng)
篩選
我無需提及我們將需要本地旁路電容器，對(duì)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(huì)降低總線速度，增加收發(fā)器輸出級(jí)的負(fù)載，并增加功耗。
終止
CAN總線的兩端應(yīng)使用120歐姆的電阻器端接。當(dāng)然，我們可以正確地計(jì)算瓦數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)功率為1 / 4W，如果偏執(zhí)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(jiǎn)單呢？
到目前為止，我所見過的幾乎所有經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證的CAN總線板上都采用了一種更復(fù)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(jì)120歐姆。兩個(gè)電阻之間的電節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)電容（通常為4.7nF）接地。
已經(jīng)計(jì)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(yīng)為1mbit / s。假設(shè)最壞的情況是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)正在傳輸一系列交替的比特（01010101）時(shí)，信號(hào)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(jì)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(duì)我們的寶貴信號(hào)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)無源組件庫，我會(huì)全力推薦Mark Harris的Celestial庫。它是免費(fèi)，廣泛且精心策劃的。
TVS
如果您的系統(tǒng)不受嚴(yán)重的ESD干擾，則收發(fā)器IC中包含的保護(hù)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，因此它們是常見的選擇。
其他過壓保護(hù)設(shè)備（例如MOV）通常具有較高的寄生電容，這會(huì)限制總線數(shù)據(jù)速率，尤其是對(duì)于具有許多節(jié)點(diǎn)的總線。
市場(chǎng)上有幾種專門為CAN總線設(shè)計(jì)的TVS二極管，例如，安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）的NUP2105L，我決定在此設(shè)計(jì)中采用。
對(duì)于收發(fā)器，我可以使用“制造商零件搜索”面板從Altium 365庫中單擊一下來放置模型，而不必繪制原理圖符號(hào)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(shè)計(jì)PCB
保持緊繃（與本文不同）
如果您的電路沒有保護(hù)，則所有EMI電流都會(huì)從連接器直接流入收發(fā)器，然后再通過接地層流回。這就是電流要執(zhí)行的操作，因?yàn)檫@是阻抗最小的路徑。
您所有的保護(hù)組件都應(yīng)盡可能靠近該路徑，以免增加環(huán)路面積。此外，所有保護(hù)措施都應(yīng)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(nèi)容都直接插入連接器，因此我們必須確定優(yōu)先級(jí)。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是將必須應(yīng)對(duì)“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(jìn)的空間。TVS二極管可以旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)180度，并向右移一點(diǎn)。
使用飛機(jī)
每個(gè)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(yuǎn)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(hào)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(yīng)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(shù)使用低阻抗
如果將我們辛苦賺來的便士全部花費(fèi)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(shè)計(jì)示例。返回路徑為紅色。
在這種設(shè)計(jì)中，我在焊盤的郊區(qū)使用了過孔。與焊盤中的通孔技術(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(nèi)部，并且焊盤將無法充分潤(rùn)濕。
您可以在此處通過屬性找到有關(guān)Altium Designer的文檔。
圖6.低電感通孔設(shè)計(jì)的詳細(xì)視圖。
第五步-分享（毫不留情的銷售策略）
假設(shè)我們現(xiàn)在已經(jīng)花了數(shù)小時(shí)閱讀可疑人物撰寫的文章，研究收發(fā)器，測(cè)試和驗(yàn)證我們完善的CAN總線子電路。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(shè)計(jì)電路，使用端口作為輸入和輸出，這與分層設(shè)計(jì)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(chuàng)建一個(gè)新的“ Managed Schematic Sheets”文件夾。
圖8. Explorer面板內(nèi)的Add folder窗口。
創(chuàng)建文件夾后，組織內(nèi)的所有用戶都可以訪問該文件夾，您可以繼續(xù)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(xiàn)在，您可以將托管原理圖圖紙放置在任何項(xiàng)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(hào)區(qū)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(nèi)容都是藍(lán)色而不是黃色和紅色，請(qǐng)查看我之前有關(guān)設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)的EMI彈性。但是，相同的電阻會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低總線的最終標(biāo)稱阻抗并降低最大速度。
越多越好。或不？
如果您不受成本限制，并且輸入保護(hù)對(duì)您至關(guān)重要，則應(yīng)考慮添加第二輪保護(hù)：
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(jī)，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(dǎo)體變阻器）。
但是，如果您始終牢記，這些設(shè)備可能會(huì)增加等效總線電容并降低數(shù)據(jù)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(xiǎn)
標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該考慮一些缺點(diǎn)。
共模扼流圈會(huì)與CAN總線總線的寄生電容產(chǎn)生諧振，從而導(dǎo)致在某些特定頻段內(nèi)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(zhǎng)度而變化很大，因此這種影響會(huì)使CAN總線設(shè)備的EMI特性無法預(yù)測(cè)。如果使用非屏蔽電纜，則電容會(huì)根據(jù)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(huì)導(dǎo)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)生的過壓會(huì)損壞CAN總線收發(fā)器。這些過電壓很難調(diào)試，因?yàn)樗鼈兪窃谶^電壓保護(hù)之后產(chǎn)生的，該保護(hù)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(hào)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“無扼流” CAN總線網(wǎng)絡(luò)的隔離且具有高EMI容限的設(shè)備。
我非常喜歡它們，因此我決定使用專為CAN總線應(yīng)用設(shè)計(jì)的共模扼流圈。