車(chē)規級CAN總線(xiàn)外圍電路設計方案

在汽車(chē)領(lǐng)域，電磁兼容性（EMC）問(wèn)題一直備受矚目。相較于傳統汽車(chē)，新能源汽車(chē)的EMC挑戰更為顯著(zhù)，對總線(xiàn)接口芯片的EMC性能提出了更高的要求。為了實(shí)現卓越的EMC表現，除了芯片本身的優(yōu)化設計外，芯片外圍電路的精心設計與完善同樣至關(guān)重要。

本篇博文將重點(diǎn)探討CAN芯片外圍電路的參考設計，以助力提升整體EMC性能，如下圖所示：

1

共模電感

共模電感獨具特性，它在共模信號下呈現高阻抗，而在差模信號下則表現為低阻抗。這一特性使其在抑制共模噪聲干擾方面表現出色。在汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò )中，共模電感的應用對于提升系統的EMC性能起到了關(guān)鍵作用。它不僅能有效濾除系統通過(guò)CAN總線(xiàn)自身發(fā)射的干擾噪聲，降低對其他系統的潛在影響，還能抑制其他系統產(chǎn)生的干擾噪聲對CAN總線(xiàn)通信的干擾，確保通信的穩定與可靠。

如下圖所示，展示了NOVOSENSE CAN收發(fā)器在EMI測試中的結果對比。通過(guò)對比總線(xiàn)加共模電感（CMC）和不加CMC的測試結果，可以明顯觀(guān)察到CMC對于抑制通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)射出的電磁干擾具有顯著(zhù)效果。

在實(shí)際選型過(guò)程中，我們需關(guān)注CMC的多個(gè)關(guān)鍵特性，包括電感值、漏感（leakage inductance）、直流電阻（DC resistance）以及模式轉換特性（mode conversion characteristics），以確保所選CMC能夠最優(yōu)化地滿(mǎn)足系統的EMC需求。

1.1、電感值

在選取CMC電感值時(shí)，我們首要考慮的是其對總線(xiàn)共模噪聲的抑制能力。為了有效抑制共模噪聲，CMC在共模噪聲頻率處應具備盡可能高的電感值，從而呈現高阻抗狀態(tài)，阻止噪聲傳播。然而，電感值的選擇并非越大越好，過(guò)大的電感值會(huì )帶來(lái)尺寸和成本上的挑戰。

綜合考慮，針對500kbps的CAN通信，推薦使用51uH電感值的CMC；而對于2Mbps的CAN FD通訊，則建議采用100uH電感值的CMC，以實(shí)現共模噪聲的有效抑制并兼顧尺寸與成本。

1.2、泄漏電感

泄漏電感，亦稱(chēng)為差模電感，對差模信號具有一定的抑制效果。然而，過(guò)大的泄漏電感可能會(huì )引發(fā)CAN信號的振鈴現象，從而干擾CAN總線(xiàn)的正常通訊。與此同時(shí)，適量的泄漏電感又能有效抑制CAN總線(xiàn)中的差模電流，進(jìn)而提升系統的整體EMI性能。

因此，在權衡泄漏電感的影響時(shí)，我們應確保其既能發(fā)揮差模抑制作用，又不至于在總線(xiàn)信號上產(chǎn)生顯著(zhù)的振鈴，確保CAN總線(xiàn)的正常通訊不受干擾。適度的泄漏電感對于優(yōu)化系統性能是有益的。

1.3、直流電阻

共模電感的直流電阻對總線(xiàn)信號的損耗具有直接影響。隨著(zhù)直流電阻的增大，總線(xiàn)信號的損耗也會(huì )相應增加，從而導致傳輸效率降低。因此，在確定了共模電感的電感值之后，選擇直流電阻盡可能小的CMC顯得尤為重要。

這樣做可以有效減少總線(xiàn)信號的損耗，提高信號傳輸效率，確保CAN總線(xiàn)通信的穩定性和可靠性。

1.4、CMC的模式轉換特性

共模電感的模式轉換特性揭示了其上下線(xiàn)圈的對稱(chēng)程度，這一特性通過(guò)Ssd12/Sds21參數來(lái)衡量。當Ssd12/Sds21參數的差異較大時(shí)，意味著(zhù)模式轉換特性更為顯著(zhù)，可能表明CMC的上下線(xiàn)圈存在較大的不對稱(chēng)性。這種不對稱(chēng)性會(huì )在CAN總線(xiàn)通信過(guò)程中引入額外的共模噪聲，從而降低CMC的EMI濾波效能。因此，在選擇CMC時(shí)，我們應傾向于選擇那些Ssd12/Sds21參數接近的器件，以?xún)?yōu)化EMI性能。

如下圖所示的DLW32SH101XF2阻抗與頻率特性曲線(xiàn)，清晰地展示了CMC在共模噪聲頻率下的高共模阻抗Zc，這有助于有效抑制共模噪聲。同時(shí)，在CAN總線(xiàn)通信頻段內，CMC保持了較低的差模阻抗Zd，確保在抑制共模噪聲的同時(shí)，不會(huì )對總線(xiàn)的正常通訊造成不利影響。

在CAN網(wǎng)絡(luò )的正常通信過(guò)程中，若總線(xiàn)遭遇異常故障，例如短路至BAT或Vcc，CMC的存在可能導致總線(xiàn)上產(chǎn)生接近或超出總線(xiàn)耐受電壓的瞬態(tài)電壓。對于NOVOSENSE系列的CAN收發(fā)器而言，此類(lèi)因總線(xiàn)短路而在CMC上產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓，恰好滿(mǎn)足芯片總線(xiàn)引腳內部ESD防護電路的啟動(dòng)條件。

因此，由CMC感生的過(guò)壓能量將通過(guò)內部ESD防護電路得到完全泄放，確保芯片免受任何損害，從而保障了收發(fā)器的可靠性和穩定性。 

2

終端分立電阻

在包含多個(gè)節點(diǎn)的CAN網(wǎng)絡(luò )中，我們依靠總線(xiàn)將各個(gè)CAN收發(fā)器的CANH和CANL引腳連接起來(lái)以實(shí)現通信。通常，在首端節點(diǎn)和末端節點(diǎn)的總線(xiàn)上會(huì )分別并聯(lián)一個(gè)電阻，其阻值通常與總線(xiàn)的特征阻抗相匹配。這個(gè)電阻的主要作用包括以下幾點(diǎn)：

匹配總線(xiàn)特征阻抗，阻止信號反射，保證信號傳輸質(zhì)量

CAN總線(xiàn)的特征阻抗通常為120Ω，而CAN收發(fā)器在隱性狀態(tài)下的總線(xiàn)差分輸入電阻高達數十kΩ。當發(fā)射節點(diǎn)的信號通過(guò)總線(xiàn)傳輸至接收節點(diǎn)時(shí)，由于阻抗不匹配，信號會(huì )發(fā)生反射，進(jìn)而導致總線(xiàn)信號出現振鈴現象。這種振鈴不僅會(huì )影響CAN網(wǎng)絡(luò )的正常通信，還可能引起數據誤判或通信中斷。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在接收端并聯(lián)一個(gè)與總線(xiàn)特征阻抗相匹配的電阻（通常為120Ω）是一個(gè)有效的解決方案。這樣做的目的是吸收信號到達接收端時(shí)多余的能量，從而避免振鈴的產(chǎn)生。通過(guò)這種方式，可以顯著(zhù)提高信號的傳輸質(zhì)量，確保CAN網(wǎng)絡(luò )的穩定運行。

總線(xiàn)負載電阻在45Ω~70Ω范圍之間，提升總線(xiàn)的抗干擾性能

CAN收發(fā)器的輸入差分電阻阻值高達數十kΩ，在總線(xiàn)隱性狀態(tài)下，這一較高的電阻值使得外部輕微的干擾能夠通過(guò)它并在總線(xiàn)上產(chǎn)生足夠的差分電壓，從而可能改變總線(xiàn)的狀態(tài)。為了避免這種情況，我們需要在總線(xiàn)處并聯(lián)一個(gè)阻值相對較小的電阻。

這個(gè)并聯(lián)電阻的作用是吸收外部干擾，防止其在總線(xiàn)上形成顯性差分電壓。同時(shí)，在選擇這個(gè)并聯(lián)電阻的值時(shí)，還需要考慮CAN收發(fā)器的總線(xiàn)輸出電壓范圍。為了確保整個(gè)系統的兼容性和穩定性，這個(gè)節點(diǎn)的外部等效負載電阻應控制在45Ω到70Ω之間。這樣既可以有效地吸收外部干擾，又不會(huì )對CAN收發(fā)器的正常工作造成不良影響。

加速總線(xiàn)信號下降沿，確?？偩€(xiàn)快速切入隱性狀態(tài)

總線(xiàn)顯隱切換的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是對寄生電容的充放電過(guò)程。當沒(méi)有并聯(lián)終端電阻時(shí)，從顯性狀態(tài)切換到隱性狀態(tài)，總線(xiàn)寄生電容只能通過(guò)CAN收發(fā)器內部高達幾十kΩ的電阻進(jìn)行放電。這樣的放電過(guò)程相對緩慢，導致信號下降沿不夠陡峭。在高速通訊的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，這種緩慢的信號下降可能會(huì )影響CAN的正常通訊。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)在CAN總線(xiàn)上并聯(lián)一個(gè)阻值較小的匹配電阻，可以顯著(zhù)加速放電過(guò)程，使總線(xiàn)信號的下降沿更加迅速，從而實(shí)現總線(xiàn)狀態(tài)從顯性到隱性的快速切換。如圖2.5和2.6所示，對比了未加終端電阻和加上終端匹配電阻時(shí)的CAN總線(xiàn)波形，可以清晰地看到，加入匹配電阻后，信號下降速度明顯加快，有助于提高CAN網(wǎng)絡(luò )的通訊質(zhì)量。

如下圖所示，未安裝終端匹配電阻時(shí)，總線(xiàn)的電平在從顯性狀態(tài)切換至隱性狀態(tài)時(shí)下降緩慢，幾乎占據了整個(gè)隱性bit位時(shí)間（通訊速率為1Mbps），這可能導致CAN通訊異常。然而，當添加了終端匹配電阻后，電平下降速度加快，總線(xiàn)波形更為理想。

為了進(jìn)一步提高CAN收發(fā)器的EMC性能，我們建議采用將單個(gè)終端匹配電阻分成兩個(gè)相等電阻串聯(lián)的方式，并在中間節點(diǎn)通過(guò)電容連接至GND。這種連接方式不僅為總線(xiàn)上的共模干擾提供了額外的路徑，有效降低了總線(xiàn)共模噪聲的影響，而且還構成了一個(gè)RC低通濾波器，能夠濾除一些高頻噪聲干擾。對于位于CAN網(wǎng)絡(luò )中的某些中間節點(diǎn)，也可以采用這種端接電阻方法，以進(jìn)一步提升信號質(zhì)量。

如下圖所示，中間節點(diǎn)終端電阻阻值應滿(mǎn)足使得整個(gè)CAN 網(wǎng)絡(luò )的總線(xiàn)電阻在45Ω-70Ω之間。

例如在一個(gè)11節點(diǎn)的 CAN 網(wǎng)絡(luò )中，RT取124Ω，若總線(xiàn)負載等效電阻值取50Ω，則根據以下公式，可以近似計算得到RS阻值約為2.3kΩ，則RS/2為1.15kΩ。同時(shí)為了保持CANH和CANL兩條路徑的對稱(chēng)，避 免產(chǎn)生新的共模噪聲，應選擇精度比較高的電阻，盡可能使得阻值一致。 

3

總線(xiàn)電容

為了提升CAN總線(xiàn)的EMC性能，除了在總線(xiàn)上加裝CMC和采用分立終端匹配電阻的方法外，還可以分別在CANH和CANL上添加對地電容。這種方法能夠有效濾除總線(xiàn)上的高頻噪聲，從而在一定程度上提高CAN總線(xiàn)的EMC性能。

然而，在選擇對地電容值時(shí)，需要綜合考慮多種因素。如果電容值過(guò)大，可能會(huì )導致總線(xiàn)信號衰減，上升和下降時(shí)間延長(cháng)，縮短bit時(shí)間，從而影響總線(xiàn)的正常通訊。此外，對地電容容值與信號源的阻抗所組成的RC低通濾波器的截止頻率應高于CAN總線(xiàn)的通訊速率，以確保CAN總線(xiàn)的正常通訊。

因此，在選擇合適的對地電容時(shí)，需要綜合考慮總線(xiàn)長(cháng)度、節點(diǎn)數量、通訊速率等因素。通常情況下，對于2Mbps的CANFD通訊，建議總線(xiàn)對地電容不超過(guò)100pF。

4

ESD保護二極管

在汽車(chē)或工業(yè)應用中，對于具有外部連接接口的系統，安裝和維護過(guò)程中可能積累過(guò)量的電荷。這些電荷通過(guò)接口線(xiàn)纜流入模塊，其放電能量可能高達數十千伏。在這種情況下，位于接口端的接口芯片會(huì )受到嚴重損害，可能導致系統無(wú)法正常工作。因此，保護接口收發(fā)器免受ESD（靜電放電）影響對于系統應用至關(guān)重要。

盡管CAN收發(fā)器芯片內部已設計有相關(guān)的ESD保護電路，但由于受限于芯片尺寸，總線(xiàn)端的ESD防護能力通常不足以應對某些環(huán)境下的ESD沖擊。因此，需要使用外部ESD保護二極管來(lái)增強系統端的ESD防護能力。瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管是一種常用于外部ESD防護的器件。

對于 TVS 管的選取，除了要考慮其瞬時(shí)響應特性，能快速泄放瞬間大能量，我們還應注意以下幾個(gè)參數：

反向關(guān)斷電壓（VRWM）

反向關(guān)斷電壓參數反映了TVS管在非導通狀態(tài)下的最大承受電壓。在CAN總線(xiàn)正常運行時(shí)，TVS管應保持截止狀態(tài)。一旦CAN總線(xiàn)遭遇異常過(guò)壓，達到TVS管的擊穿電壓，TVS管便會(huì )迅速從高阻態(tài)切換到低阻態(tài)，將總線(xiàn)上的瞬時(shí)過(guò)流引導至地，從而保護CAN收發(fā)器和總線(xiàn)。因此，為確保CAN總線(xiàn)的正常通訊不受影響，TVS管的反向關(guān)斷電壓必須高于CAN總線(xiàn)的正常工作電壓。通常情況下，TVS管的反向關(guān)斷電壓應高于CAN收發(fā)器總線(xiàn)的共模電壓工作范圍。

擊穿電壓(VBR)

V_BR 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 管呈現低阻抗特性。一般情況下 V_BR 會(huì )略高于 V_RWMo。

 鉗位電壓(VCL)

V_CL表示在峰值脈沖電流下TVS管能夠達到的最大鉗位電壓值。對于CAN總線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，確保TVS管的VCL值低于CAN總線(xiàn)的絕對最大額定電壓（AMR）是至關(guān)重要的，以避免對CAN收發(fā)器造成潛在損害。

峰值脈沖功率(P_PP)

峰值脈沖功率為峰值脈沖電流與鉗位電壓Va的乘積，Pp越大，在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保護效果越好。因此，在選擇V的前提下，應選擇Pp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(xiàn)應用中，為了確保CAN總線(xiàn)通訊頻率不受影響，應選擇具有較低寄生電容的TVS管，以避免對總線(xiàn)信號產(chǎn)生較大衰減，從而保證通信質(zhì)量。

TVS管應盡量放置在模塊的對外連接處，以便快速將外部能量泄放到地，提高保護效果。此外，TVS管的走線(xiàn)應盡可能短，以減少線(xiàn)路的寄生電感和阻抗影響。寄生電感可能導致VCL電壓的增加，而走線(xiàn)阻抗則會(huì )降低TVS管對浪涌能量的泄放能力。

參考資料：納芯微CAN收發(fā)器節點(diǎn)計算與外圍電路參考設計