CAN總線(xiàn)：設計CAN總線(xiàn)電路

本文是由三部分組成的CAN總線(xiàn)介紹系列的一部分：

• 第1部分：非正式介紹

• 第2部分：協(xié)議

• 第3部分：設計CAN總線(xiàn)電路

CAN總線(xiàn)節點(diǎn)中有三個(gè)主要部件：

1. 微處理器

2. CAN總線(xiàn)控制器

3. CAN總線(xiàn)收發(fā)器

CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議ISO 11898–1的所有低級功能，同時(shí)收發(fā)器與物理層通信。不同的物理層需要不同的收發(fā)器，如高速can、低速容錯can、高速可變數據速率can。

在一個(gè)典型的實(shí)現中，CAN總線(xiàn)控制器和微處理器被統一成一個(gè)啟用CAN的微控制器。市面上有帶SPI接口的外部CAN總線(xiàn)控制器，主要由微芯片制造，但它們往往會(huì )增加不必要的成本和復雜性。

在本文中，我們將研究從收發(fā)器到can總線(xiàn)連接器的電路設計。是時(shí)候把我們的手弄臟，設計我們的CAN總線(xiàn)電路！

所有的CAN總線(xiàn)收發(fā)器的工作原理類(lèi)似，因為它們位于實(shí)現CAN總線(xiàn)控制器的微控制器（或FPGA）和CAN總線(xiàn)本身之間。不過(guò)，還是有一些不同之處，你應該仔細考慮。

快速搜索合適的八角分類(lèi)揭示了CAN總線(xiàn)收發(fā)器的主要制造商按提供的集成電路數量降序排列為NXP半導體、微晶片、德州儀器、Maxim Integrated、模擬器件和ST微電子。

所有這些收發(fā)器看起來(lái)都很相似，但它們的特性和性能卻各不相同。

市場(chǎng)上第一個(gè)CAN總線(xiàn)收發(fā)器包括很少的ESD（靜電放電）事件保護。它們要求所有的I/O保護都要用外部組件來(lái)實(shí)現。

幸運的是，現在不是這樣了。以下是一些隨機IC及其總線(xiàn)引腳上的HBU（人體模型）ESD公差：

更高的ESD容限可以讓您節省外部保護，但您應該知道，在高質(zhì)量的TVS二極管上多花幾分錢(qián)可以顯著(zhù)提高可靠性。

如果您的應用程序受空間限制，并且不必處理太多的ESD，那么一體式就是最好的選擇。在我的例子中，我買(mǎi)了一臺外置電視和一臺更便宜的收發(fā)機。

市面上大多數收發(fā)器的工作電壓為5V，但為3.3V設計的集成電路也極受歡迎。如果不反復使用dc-dc轉換器，就不可能降低電源電壓。一些集成電路，如Maxim Integrated的MAX14883E，包括一個(gè)邏輯電平的電源輸入，使得與1.8V設備的互操作性與收發(fā)器的電源無(wú)關(guān)。

圖1.MAX14883E簡(jiǎn)化框圖，由Maxim Integrated提供

在我的例子中，我的MCU工作在3.3V，所以我也會(huì )選擇它作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器。

所有高速CAN總線(xiàn)收發(fā)器可在小型網(wǎng)絡(luò )上運行高達1Mbps。CAN-FD收發(fā)器的工作速度最高可達5Mbps，但其中許多收發(fā)器的速度僅限于2Mbps等較低的速度。

最終的系統數據速率將受到總線(xiàn)電容、CAN總線(xiàn)標識符的分配以及正在傳輸的CAN幀類(lèi)型的限制。最壞情況下，有效波特率通常是最大值的三分之一。

出于安全要求，可能需要隔離的CAN總線(xiàn)收發(fā)器。例如，引入電流隔離可以保護電路的低壓部分，以防母線(xiàn)接觸到危險電壓。同樣的隔離也可以通過(guò)打破接地回路和允許節點(diǎn)之間的地電位有更大的差異來(lái)改善通信。

當然，隔離的CAN總線(xiàn)收發(fā)器將需要類(lèi)似的隔離電源。

許多收發(fā)器包括一個(gè)模式選擇輸入，可用于降低IC的功耗和關(guān)閉****。通常，接收器保持活動(dòng)狀態(tài)，RXD引腳可用于觸發(fā)微控制器中的喚醒中斷。

當模式選擇輸入通過(guò)一個(gè)至少幾個(gè)千歐的電阻拉高或低時(shí)，它有時(shí)會(huì )加倍作為斜率控制。降低信號斜率，雖然它可以限制帶寬，但允許收發(fā)機限制其產(chǎn)生的電磁干擾量。

所有符合ISO 11898–2標準的收發(fā)器必須能夠承受CANH和CANL上-3V到32V之間的直流電壓而不會(huì )斷開(kāi)，能夠承受-150V到100V的瞬態(tài)，并且能夠在-2V和7V之間的共?？偩€(xiàn)電壓下工作。

事實(shí)上，市場(chǎng)上所有的集成電路都超過(guò)了這些要求，一場(chǎng)關(guān)于誰(shuí)能在后臺展示最重要數字的非正式競賽正在進(jìn)行。

以下是幾個(gè)例子：

現在，50V以上的電壓是標準的，因為許多車(chē)輛都采用48V工作的混合動(dòng)力系統，收發(fā)器應該能夠承受對系統高壓供電軌短路的總線(xiàn)。

對于網(wǎng)絡(luò )上可以容納多少節點(diǎn)沒(méi)有硬性規定，但最關(guān)鍵的參數之一是收發(fā)器上CANH和CANL之間的輸入阻抗。

高輸入阻抗將對總線(xiàn)產(chǎn)生邊際影響，并使節點(diǎn)數目增加。

一些收發(fā)器實(shí)現了廣泛的保護功能，例如：

• 例如，由于一個(gè)主要的驅動(dòng)程序的輸出時(shí)間太長(cháng)而導致軟件失效。

• 熱關(guān)機

• 欠壓鎖定：設備在欠壓狀態(tài)下被禁用。

• 隱性功率不足狀態(tài)：當沒(méi)有正確供電時(shí)，設備不會(huì )以任何方式驅動(dòng)總線(xiàn)。

• 限流：對正或負電源電壓短路時(shí)的保護。

大多數CAN總線(xiàn)收發(fā)器包括一種只收模式，它將TXD反饋給RXD，而不需要實(shí)際驅動(dòng)總線(xiàn)。此功能通常用于自動(dòng)確定總線(xiàn)波特率。

在我的設計中，我選擇了TJA1051，主要是因為我很便宜，而且它是市場(chǎng)上最實(shí)惠的集成電路之一?？梢哉业疆a(chǎn)品頁(yè)面在這里 .

使用“Manufacturer Part Search”面板，我立即找到了組件模型，包括footprint和3D，并將它們放置在原理圖上。模型自動(dòng)從 Altium 365型 ?的云庫

圖2.Altium Designer內部的制造商部件搜索面板。

我不需要說(shuō)我們需要本地旁路電容器，是嗎？

此外，在CANH和CANL線(xiàn)路上連接到地面的一些特別小值電容器通常為40到100pF，可以幫助吸收ESD能量并提高EMI彈性。一如既往，隨著(zhù)總線(xiàn)電容的增加，總線(xiàn)速度降低，收發(fā)器輸出級的負載增加，功耗增加。

CAN總線(xiàn)的兩端應使用120R的電阻器進(jìn)行端接。當然，我們可以正確計算瓦特數（標準值為1/4W，如果我們是偏執狂，則為1/2W），放置我們可愛(ài)的小電阻，然后結束工作。但為什么要把事情簡(jiǎn)單化呢？

迄今為止，我所見(jiàn)過(guò)的幾乎所有經(jīng)過(guò)行業(yè)驗證的CAN總線(xiàn)板都采用了一種更為復雜的技術(shù)，即分體式終端。

在分裂終端，兩個(gè)60歐姆電阻串聯(lián)使用，總計120歐姆。兩個(gè)電阻器之間的電氣節點(diǎn)通過(guò)電容器（通常為4.7nF）接地。

計算了電容值，得到了網(wǎng)絡(luò )基頻處的截止頻率為-3db。

在我的例子中，網(wǎng)絡(luò )的波特率應該是1mbit/s。假設最壞情況下，當網(wǎng)絡(luò )傳輸一系列交替位（01010101）時(shí)，信號將是頻率為500kHz的方波，或等于波特率的一半。

我們知道60歐姆時(shí)的電阻，我們就可以計算出電容器。

如果我們必須近似電容值，一個(gè)稍微小一點(diǎn)的電容器對我們寶貴的信號的干擾就會(huì )小一些。因此，4.7nF，這是最廣泛采用的值。

如果你需要一個(gè)被動(dòng)元件庫，我衷心推薦馬克·哈里斯的天體圖書(shū)館。它是廣泛的，精心策劃的。

如果您的系統沒(méi)有受到嚴重的靜電放電，收發(fā)機集成電路中包含的保護可能是一切所需的。

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管由于其等效并聯(lián)電容較低而成為一種常用的選擇。

其他過(guò)電壓保護裝置，如mov，通常具有很高的寄生電容，可以限制總線(xiàn)數據傳輸速率，尤其是對于具有多個(gè)節點(diǎn)的總線(xiàn)。

市面上有幾種專(zhuān)門(mén)為CAN總線(xiàn)設計的TVS二極管，例如，NUP2105L，我決定在本次設計中采用這種二極管。

至于收發(fā)器，我使用制造商部件搜索面板，只需單擊Altium365庫中的一個(gè)按鈕，就可以放置模型，而不必繪制示意圖符號和示意圖。

圖3.使用制造商零件搜索面板放置NUP2105L TVS二極管。

如果你的電路沒(méi)有保護，所有的電磁干擾電流都會(huì )從你的連接器直接進(jìn)入你的收發(fā)器，然后通過(guò)接地層返回。這就是電流想要做的，因為這是阻抗最小的路徑。

所有保護組件應盡可能靠近該路徑，以避免增加回路面積。此外，所有保護應盡可能靠近連接器和電路板邊緣，以防止噪聲耦合到其余電路中。

當然，不可能把所有的東西都塞進(jìn)連接器附近，所以我們必須優(yōu)先考慮。一般的經(jīng)驗法則是首先放置必須處理“最壞”EMI違規者的組件。

在我們的例子中，TVS二極管必須處理高速大電流事件。由于快速脈沖含有豐富的高頻分量，如果不加控制地漫游到我們的電路板中，它們將與所有可用的跟蹤信號耦合并中斷操作。

所以TVS是第一位的，如果中間沒(méi)有端接電阻，共模扼流圈會(huì )排在第二位。

圖4.路由示例

在我們的PCB示例中，仍有改進(jìn)的余地。TVS二極管可旋轉180度，進(jìn)一步減小ESD回路面積。電容器C5和C6也可以旋轉180度，向右移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)。

每一個(gè)印刷電路板布局指南都寫(xiě)有“接地平面這個(gè)”或“接地平面那個(gè)”，如果你想讓電磁干擾遠離你的電路板柔軟的腹部，那是無(wú)法逃避的。

在任何信號的正下方都必須有一個(gè)接地平面，以使阻抗最小的路徑盡可能短。你的TVS二極管應該將脈沖直接放電到接地層，通過(guò)低電感連接連接到電纜屏蔽層（如果有的話(huà)）。

如果電容器的效應將被接地軌跡的電感抵消，那么把我們辛苦掙來(lái)的錢(qián)都花在電容器上是沒(méi)有意義的。

圖5.低電感和高電感通孔設計示例。紅色的返回路徑。

在這個(gè)設計中，我在焊盤(pán)的外圍使用過(guò)孔。與焊盤(pán)通孔技術(shù)不同，它不需要額外的步驟來(lái)制造PCB，因此不會(huì )增加成本。過(guò)孔必須蓋油，否則，焊膏會(huì )在內部流動(dòng)，焊盤(pán)不會(huì )充分潤濕。

您可以通過(guò)屬性找到有關(guān)Altium Designer的文檔在這里 .

低電感詳細設計圖6

假設我們現在花了幾個(gè)小時(shí)閱讀可疑人物寫(xiě)的文章，研究收發(fā)器，測試和驗證我們完美的CAN總線(xiàn)子電路?，F在呢？

使用 Altium Concord Pro?，您可以與整個(gè)組織共享原理圖工作表，只需幾秒鐘。

第一步是在一個(gè)原理圖文檔中設計電路，使用端口作為輸入和輸出，類(lèi)似于分層設計。

圖7.帶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“托管原理圖圖紙”文件夾。

圖8.Add folder窗口在Explorer面板中。

創(chuàng )建文件夾后，組織中的所有用戶(hù)都可以訪(fǎng)問(wèn)該文件夾，您可以繼續上載原理圖工作表。

圖9.帶有新添加的托管原理圖頁(yè)的Explorer面板。

現在可以將托管原理圖圖紙放置在任何項目中。

圖10.Place managed schematic sheet命令。

新的托管原理圖表將通過(guò)“重用”綠色符號進(jìn)行區分。

圖11.放置在SchDoc上的管理示意圖。

如果你想知道為什么所有的東西都是藍色而不是黃色和紅色，請查看我之前關(guān)于設計風(fēng)格的文章。

一個(gè)可選的“弱”終端，例如1.3Kohm，可以幫助提高具有長(cháng)存根距離的節點(diǎn)的EMI彈性。然而，相同的電阻有助于網(wǎng)絡(luò )負載，減少節點(diǎn)數量，降低總線(xiàn)的最終標稱(chēng)阻抗，并降低最大速度。

第二輪保護是最重要的，如果您不考慮增加第二輪保護的話(huà)：

MOV（金屬氧化物變阻器）或GDT（氣體放電管）“吸收”比電視機所能處理的更高的能量。
MOV/GDT和收發(fā)器之間的一些限流裝置，如高沖擊電阻、變阻器或TBU ?（伯恩斯出售的一種奇特的半導體變阻器）。

不過(guò)，如果你始終牢記這些設備可能會(huì )增加等效總線(xiàn)電容，降低數據傳輸速率，增加電流消耗，這會(huì )有所幫助。

標準模式扼流圈是CAN總線(xiàn)上最常見(jiàn)的過(guò)濾器類(lèi)型，它們工作良好，但也有一些你應該考慮的缺點(diǎn)。

共模扼流圈可與can總線(xiàn)的寄生電容產(chǎn)生共振，導致少數特定頻段的噪聲增加。由于共模扼流圈中的電感很少被精確地指定，并且寄生電容隨電纜長(cháng)度的變化而變化，這種效應會(huì )使can總線(xiàn)設備的EMI特性變得不可預測。如果使用非屏蔽電纜，電容會(huì )因電纜與接地金屬表面的接近程度而變化。

眾所周知，共模電感器與共模電感器一樣工作。嗯。某些故障條件，如對電源短路或對地短路，會(huì )導致高瞬態(tài)共模電流。在某些情況下，共模扼流圈電感產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì )損壞can總線(xiàn)收發(fā)器。這些過(guò)電壓很難調試，因為它們是在過(guò)電壓保護之后產(chǎn)生的，而過(guò)電壓保護通常位于電路板的邊緣。

扼流圈的第三個(gè)缺點(diǎn)…它們可能很貴。高速差分信號需要非常低的電流泄漏。

一些集成電路制造商，特別是德州儀器公司，正在為“無(wú)扼流圈”的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )推出隔離的、高抗電磁干擾的設備。

我特別決定用一個(gè)普通的卡死模式。

我一定愛(ài)上了CAN總線(xiàn)。在其無(wú)窮的靈活性和極端的抗電磁干擾能力之間，它無(wú)疑是世界上最令人興奮的標準之一。