教你四步掌握CAN節點(diǎn)隔離設計

各位工程師在工業(yè)通訊現場(chǎng)最擔心遇到什么?通信干擾!CAN隔離模塊能夠有效解決CAN總線(xiàn)通信干擾問(wèn)題，且較分立器件方案使用更簡(jiǎn)便。本文為大家總結CAN隔離模塊在使用中需要注意的細節，幫助大家搭建更可靠的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

“隔離”是模塊為CAN節點(diǎn)設備提供可靠數據傳輸的首要保障，通常隔離模塊的“隔離”是指模塊上電后，能為節點(diǎn)提供信號隔離及電源隔離，隔離電壓等級以2500VDC、3500VDC為主。本文將從CAN隔離模塊的前級電源保護、后級接地、總線(xiàn)保護電路以及實(shí)際組網(wǎng)四個(gè)層面出發(fā)，全方面的介紹模塊的使用細節，幫助大家搭建穩定、可靠的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

前級電源保護

模塊的初級接口是面對控制信號部分，供電電源通常與CAN控制器或MCU保持一致，這種情況下電源端口建議增加10μF濾波電容。有些應用是模塊的電源和總線(xiàn)一起傳輸過(guò)來(lái)，比如20個(gè)節點(diǎn)中每個(gè)節點(diǎn)的電源和CAN信號線(xiàn)一起布線(xiàn)，節點(diǎn)共用一個(gè)電源，或模塊沒(méi)有單獨的穩壓供電電源，這種情況必須為模塊電源增加TVS保護及濾波電容，并且確保電源與信號共地，如下圖1所示。

圖1 電源保護

2. 后級接地

一般在短距離，干擾小的場(chǎng)合，可將CAN收發(fā)器的CANG懸空處理。但在實(shí)際現場(chǎng)應用中CAN總線(xiàn)組網(wǎng)絕大多數采用屏蔽雙絞線(xiàn)，此時(shí)需要對屏蔽層接地。若接地節點(diǎn)為金屬機殼，且該節點(diǎn)的初級系統已經(jīng)接地，這種情況下CAN端口的屏蔽層應該通過(guò)一個(gè)1000pF電容接地，電容耐壓值大于模塊隔離耐壓。電路示意如圖2所示。

圖2 CAN端口接地示意圖

3. 總線(xiàn)保護電路

模塊CAN接口面對總線(xiàn)，需要更高的浪涌及靜電防護等級。CTM系列模塊CAN接口裸機可承受±4kV靜電及共模±2kV浪涌。若需要更高的等級可以增加浪涌防護電路。常用的有以下兩種保護電路，圖3、圖4中的TVS管等效結電容約為500~1000pF。

圖3 橋式保護電路

圖4 普通保護電路

圖3為橋式電路，特點(diǎn)是等效節點(diǎn)電容小，測量各線(xiàn)之間電容小于20pF，該電路適用于CAN總線(xiàn)節點(diǎn)數較多，通信速率較高的場(chǎng)合。

圖4所示的普通電路等效節點(diǎn)電容則更大，測量各線(xiàn)之間電容為800pF左右，該電路適用于低速通信場(chǎng)合。

共模電感：對總線(xiàn)共模干擾大，設備EMI要求高的場(chǎng)合，尤其是汽車(chē)行業(yè)的應用總線(xiàn)采用51μH的共模電感可有效解決問(wèn)題。加入共模電感帶來(lái)的問(wèn)題便是引入諧振干擾。當收發(fā)器的總線(xiàn)信號上升下降時(shí)間較短時(shí)，共模電感與總線(xiàn)分布電容產(chǎn)生諧振，影響通訊，比如在CAN FD應用場(chǎng)合，這種諧振會(huì )影響總線(xiàn)的正常通訊。圖5為CTM5MFD模塊采用ID段1Mbps，數據段2Mbps速率通訊，加入保護電路的波形，其中綠色為加入共模電感的波形，粉紅色為無(wú)共模電感的波形。

圖5 浪涌電路加入電感波形對比

除了總線(xiàn)分布參數帶來(lái)的影響外，模塊本身的CAN差分信號也會(huì )影響諧振電壓幅值。CAN收發(fā)器滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件，可有助于降低諧振電壓幅值。

1) CANH、CANL信號要同步，且對稱(chēng)性好;

2) CANH、CANL構成的差分電壓信號上升、下降斜率小;

4. 實(shí)際組網(wǎng)

通用CAN隔離模塊多數有顯性超時(shí)保護，模塊的最低波特率被限制為40kbps，模塊組網(wǎng)時(shí)最大通信距離應為1公里。當總線(xiàn)通信最大波特率確定后，組網(wǎng)的總線(xiàn)長(cháng)度及分支長(cháng)度應不超過(guò)表1限制。

表1 不同波特率下的網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度

普通應用組網(wǎng)可參考CTM系列隔離收發(fā)器數據手冊中已經(jīng)給出的推薦組網(wǎng)方式，即采用單層屏蔽雙絞線(xiàn)。下面給出采用雙層屏蔽雙絞線(xiàn)的參考組網(wǎng)方式。這種方式為三線(xiàn)傳輸方式，傳輸效果及抗干擾性最好。組網(wǎng)時(shí)雙絞線(xiàn)外屏蔽層單點(diǎn)接大地，內屏蔽層及雙絞線(xiàn)連接每個(gè)收發(fā)器的CANG 、CANH、CANL，每個(gè)CAN節點(diǎn)的CANG通過(guò)1000pF電容接設備機殼。

圖6 三線(xiàn)傳輸組網(wǎng)示意圖