利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

在過(guò)去的數十年中，從汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢看，汽車(chē)制造對于舒適度、效率、環(huán)境友好性的要求不斷提升，對于性能和汽車(chē)安全性的期望值也不斷提高。在這一趨勢的帶動(dòng)下，汽車(chē)中的電子子系統以及連接這些子系統的配線(xiàn)的數量大幅增加。線(xiàn)纜的增多導致汽車(chē)重量增加，當然也增加了成本。不過(guò)，在八十年代初期，Bosch公司推出了CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有效降低了線(xiàn)路連接的復雜度，減輕了線(xiàn)纜重量并節省了成本，因而被廣泛用于汽車(chē)工業(yè)。

　　汽車(chē)制造從集中控制系統到分布式控制系統的轉變有助于汽車(chē)廠(chǎng)商達到降低汽車(chē)重量和成本的目標。集中控制系統通過(guò)大量線(xiàn)纜將所有執行裝置、傳感器以及開(kāi)關(guān)連接到控制系統，而分布式管理系統將電子控制單元(ECU)放置在需要控制的位置，通過(guò)總線(xiàn)系統進(jìn)行相互通信(例如：兩線(xiàn)制CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ))(圖1)。

　　CAN網(wǎng)絡(luò )由多個(gè)收發(fā)器模塊組成，這些收發(fā)器通過(guò)一對總線(xiàn)鏈接。每個(gè)模塊為一個(gè)CAN收發(fā)器，用于支持協(xié)議控制器(微控制器、狀態(tài)機或模塊內的其它處理引擎)和物理介質(zhì)(線(xiàn)纜)之間的物理層互聯(lián)。這種新型CAN總線(xiàn)設計需要快速標準化，以確保來(lái)自不同廠(chǎng)商的ECU之間正確通信。ISO(國際標準化組織)在1993年首先對其實(shí)行了標準化定義，并在2003年和2007做出了進(jìn)一步修正。目前的ISO 11898標準已經(jīng)被原始設備制造商(OEM)作為現行標準采用，用于所有汽車(chē)內部的CAN通信。

　　為滿(mǎn)足ISO標準并提供正確的總線(xiàn)電平，大部分CAN收發(fā)器總線(xiàn)驅動(dòng)器需要5V電源供電。但電子系統的主電源通常不能滿(mǎn)足子系統的電源要求。這種情況下，提供的系統電源通常不能直接為CAN收發(fā)器供電，例如，系統可能只提供一個(gè)3.3V電源。有時(shí)由于空間限制無(wú)法容納最合適的電源數量;有時(shí)則由于發(fā)熱問(wèn)題而無(wú)法直接從電池產(chǎn)生5V電壓，特別是在電池電壓較高的CAN通信系統中(如：汽車(chē)中采用雙電池的情況，或者24V卡車(chē)系統)。

　　可以利用電壓轉換器產(chǎn)生所要求的電源電壓，對于低功耗、結構簡(jiǎn)單的低成本設計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導體器件，而且易于使用。

　　.電荷泵的選擇

　　1. 收發(fā)器電源

　　目前市面上已有簡(jiǎn)單、功能成熟的CAN收發(fā)器，有些收發(fā)器需要單電源供電，而有些收發(fā)器需要多路電源供電。為了使來(lái)自不同ECU供應商的模塊之間能夠正確地互操作，并實(shí)現遵循ISO 11898標準的高速CAN通信，絕大多數模塊需要一個(gè)滿(mǎn)足最大容限要求的5V電源。

　　有些收發(fā)器還帶有內置I/O電平適配器。利用協(xié)議控制器的電源(作用在收發(fā)器單獨的電源引腳)，電平適配器按比例調整收發(fā)器的I/O電平，使其達到控制器電平。由此，收發(fā)器可直接連接工作在5V以下的控制器，無(wú)需任何膠合邏輯。

　　低功耗管理收發(fā)器支持本地和遠程喚醒，因此帶有另外一個(gè)電源引腳。該引腳必須由汽車(chē)電池持續供電且消耗的電流很小。因而ECU要求高速CAN總線(xiàn)即使在點(diǎn)火鑰匙“關(guān)閉”的條件下也必須保持有效工作。

　　關(guān)于CAN收發(fā)器其它引腳的功能描述，請參考選定器件的數據資料。

　　2. 電源電流

　　CAN總線(xiàn)通常處于兩個(gè)邏輯狀態(tài)之一：隱性或顯性(圖2)。正常通信模式下，收發(fā)器在顯性狀態(tài)下需要最大的輸入電流，隱性狀態(tài)所需的輸入電流最小。此時(shí)I/O電平適配器和遠程喚醒功能所消耗的電流可以忽略，因為它們通常消耗的是微控制器電源和汽車(chē)電池的電流，而且數值非常小。

　　總線(xiàn)出現故障時(shí)，電源電流會(huì )顯著(zhù)增大，特別是在CAN_H線(xiàn)與地短路時(shí)。大多數收發(fā)器都會(huì )把短路電流限制在一個(gè)特定的最大值。為了防止電源電壓跌落，最好按照這種情況下的電流要求定義電荷泵的輸出電流規格。

　　基于上述考慮，為了給CAN收發(fā)器提供適當的電源，要求電荷泵必須保持5V輸出電壓，并滿(mǎn)足收發(fā)器數據資料中的標稱(chēng)電壓容限，最小輸出電流必須支持CAN_H短路到地的情況。

　　利用MAX1759電荷泵為MAX13041收發(fā)器供電

　　市場(chǎng)上可以找到多種傳統的CAN收發(fā)器和電荷泵器件，本文主要關(guān)注MAX13041 HS CAN收發(fā)器和MAX1759 buck/boost穩壓型電荷泵的設計，解決收發(fā)器供電問(wèn)題。收發(fā)器通過(guò)VCC引腳供電，為支持標準的ISO 11898 CAN通信，VCC必須保持在4.75V與5.25V之間(標稱(chēng)工作電壓范圍)。該電壓在總線(xiàn)(CAN-H，CAN-L)之間建立正確的通信信號，并在IC處于正常工作模式時(shí)為接收電路供電。

　　收發(fā)器的VI/O輸入使能3.3V I/O微控制器的接口電路，在控制器和收發(fā)器的接收/發(fā)送 (RxD/TxD)級建立正確的電平。當然，當與5V控制器通信時(shí)，VI/O引腳也可以由5V電源供電。

　　VBAT引腳(通常連接到汽車(chē)12V電池)為具有極低靜態(tài)電流的喚醒檢測電路供電。根據CAN總線(xiàn)的信息，該引腳可以控制MAX13041從休眠模式喚醒。關(guān)于其它引腳的詳細說(shuō)明，請參考MAX13041數據資料。

　　正常通信模式下，MAX13041在顯性狀態(tài)需要的最大輸入電流(VCC引腳)為80mA，隱性狀態(tài)(圖2)下為10mA。流入VI/O和VBAT的電流可忽略不計。當總線(xiàn)出現故障時(shí)，VCC電源電流將顯著(zhù)增大，特別是當CAN_H信號線(xiàn)與地短路時(shí)。MAX13041將短路電流限制在IO(SC) = 95mA。

　　基于上述考慮，為了滿(mǎn)足CAN收發(fā)器的供電要求，電荷泵必須具有穩定的5V輸出電壓，確保符合電壓容限的要求，最小輸出電流為95mA。

　　1. 電荷泵要求

　　MAX1759架構允許輸入電壓高于或低于穩壓輸出值。而本應用中，電荷泵僅作為升壓轉換器工作。當VIN低于VOUT時(shí)，電荷泵作為穩壓型升壓倍壓器工作。輕載下，電荷泵僅在需要維持負載的供電能量時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，消耗很小的靜態(tài)電流。輕載時(shí)，輸出電壓紋波不會(huì )增大。

　　有關(guān)電荷泵其它特性的詳細說(shuō)明，請參考MAX1759數據資料。

　　2. 實(shí)現3.3V方案

　　從圖3電路可以看出，用電荷泵為MAX13041供電非常簡(jiǎn)單。只需要把MAX1759連接到CAN收發(fā)器的VCC輸入(藍色虛線(xiàn)所示)，即可產(chǎn)生滿(mǎn)足容限和輸出電流要求的5V輸出電壓。該配置允許其它電路采用低壓供電。本示例中，外部3.3V電源(綠色)為電荷泵(IN)、微控制器以及收發(fā)器的VI/O電平轉換器供電。拉高電荷泵的/SHDN，使器件置于ON狀態(tài)。MAX1759數據資料詳細介紹了關(guān)于輸入/輸出(CIN, COUT)電容和飛電容(CX)的選擇。

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