一種利用無(wú)扼流圈收發(fā)器簡(jiǎn)化CAN總線的方式

由于汽車(chē)內(nèi)電子元器件的密度在逐年增加，我們需要確保車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在電磁兼容性(EMC) 方面保持高性能。這樣的話，當(dāng)不同子系統(tǒng)被集成在一個(gè)較大解決方案中，并且在常見(jiàn)(嘈雜)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，這些子系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然有很多不同的車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)互連標(biāo)準(zhǔn)，并且汽車(chē)原始設(shè)備制造商 (OEM) 對(duì)于EMC也有多種不同的要求，這篇文章主要討論一個(gè)已經(jīng)被證明具有特別挑戰(zhàn)性的話題：一個(gè)控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線的射頻 (RF) 放射。

CAN使用均衡的差分信令來(lái)發(fā)送波特率，高達(dá)1Mbps(或者更高，前提是使用“靈活數(shù)據(jù)速率”變量)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。理想情況下，差分信令的使用避免了所有外部噪聲耦合。由于每一半差分對(duì)(被稱為CANH和CANL)在變化時(shí)是對(duì)稱的，它們的噪聲帶來(lái)的干擾是具有破壞性的。然而，沒(méi)有CAN收發(fā)器是完全理想的，并且CANH和CANL信號(hào)之間的低值不對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生未經(jīng)完全均衡的差分信號(hào)。當(dāng)這一情況發(fā)生時(shí)，CAN信號(hào)的共模分量(CANH和 CANL的平均值)將不再是一個(gè)恒定的DC值。相反地，它將表現(xiàn)出與數(shù)據(jù)有關(guān)的噪聲。

兩個(gè)主要的不均衡類(lèi)型會(huì)導(dǎo)致這個(gè)噪聲。其中一個(gè)就是顯性(被驅(qū)動(dòng))和隱性(高阻抗)狀態(tài)期間穩(wěn)定狀態(tài)共模電壓電平之間的不匹配。

這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)不匹配會(huì)導(dǎo)致一個(gè)類(lèi)似于CAN數(shù)據(jù)本身縮放版本的噪聲圖形。這個(gè)噪聲圖形在它的頻譜內(nèi)很寬，表現(xiàn)為一系列延伸至極低頻率且間隔均勻的離散頻譜線。定時(shí)不匹配會(huì)導(dǎo)致一個(gè)由短脈沖或干擾組成的噪聲圖形，只要數(shù)據(jù)中有邊緣變換，它就會(huì)出現(xiàn)。這個(gè)噪聲圖形的頻譜含量往往集中比較高的頻率上。

圖1中的波形顯示了一個(gè)可以在典型CAN收發(fā)器的輸出上觀察到的共模噪聲。在這幅圖像中，黑色軌跡線(通道1)顯示CANH，紫色軌跡線(通道 2)顯示的是CANL，并且綠色軌跡線(數(shù)據(jù)功能)是CANH與CANL的和。這個(gè)求和的過(guò)程給出了一個(gè)波形，它的值等于此時(shí)一個(gè)指定點(diǎn)上共模電壓的2 倍。

圖1：典型CAN收發(fā)器CANH/CANL輸出和共模噪聲

共模波形顯示出兩種噪聲類(lèi)型：與顯性至隱性/隱性至顯性變換相對(duì)應(yīng)的高頻噪聲，而低頻噪聲是與不匹配的顯性和隱性共模相對(duì)應(yīng)的。

由于信號(hào)的共模部分能夠與系統(tǒng)(或與外部系統(tǒng))中的其它分量耦合在一起(通過(guò)輻射或傳導(dǎo)路徑)，這個(gè)共模噪聲直接影響放射性能。這個(gè)器件的傳導(dǎo)放射按照工業(yè)電氣工程/電子 (IBEE) 茨維考技術(shù)的工程服務(wù)進(jìn)行測(cè)量;如圖2中所示，這個(gè)器件的傳導(dǎo)放射連同一個(gè)普通汽車(chē)原始設(shè)備制造商(OEM)限值線一同繪制。

圖2：一個(gè)典型CAN收發(fā)器的傳導(dǎo)放射

這個(gè)收發(fā)器的輸出放射超過(guò)了低頻和高頻區(qū)域內(nèi)的OEM要求。為了把放射降低到令人滿意的水平，必須使用某些外部濾波。

CAN總線中最常用的濾波器組件就是共模扼流圈(如圖3中所示)。共模扼流圈的構(gòu)成方式是將兩個(gè)線圈繞在同一個(gè)鐵芯上。在每個(gè)線圈繞組方向的安排方面，要使得共模電流(也就是說(shuō)，每個(gè)線圈內(nèi)的電流方向一致)具有共用同一極性的磁通量。這使得共模扼流圈可以運(yùn)行為針對(duì)共模信號(hào)的電感器，從而提供一個(gè)隨上升的頻率而增加的阻抗。相反地，差分模式電流(也就是說(shuō)，每個(gè)線圈內(nèi)的電流方向相反)將使它們的磁通量與反向極性相互作用。對(duì)于諸如CAN信號(hào)的均衡波形，每個(gè)線圈內(nèi)相反磁通量的幅度將會(huì)相等，因此不會(huì)在鐵芯內(nèi)累積靜磁通。這使得扼流圈運(yùn)行為一個(gè)針對(duì)CAN信號(hào)的短接電路。

圖3：共模扼流圈電路原理圖

這項(xiàng)技術(shù)在減少CAN總線放射方面十分有效。例如，當(dāng)用一個(gè)51μH共模扼流圈對(duì)上面不能滿足放射要求的器件進(jìn)行重新測(cè)試時(shí)，性能得到極大提升(圖4)。

圖4：典型CAN收發(fā)器(具有共模扼流圈)的傳導(dǎo)放射

然而，在添加共模扼流圈時(shí)會(huì)帶來(lái)一些缺點(diǎn)。使用共模扼流圈時(shí)的一個(gè)明顯劣勢(shì)就是印刷電路板上需要額外的空間，并且會(huì)產(chǎn)生多余的物料清單成本。不過(guò)，除此之外，還應(yīng)該考慮某些對(duì)CAN總線的細(xì)微影響。由于扼流圈線圈會(huì)引入某些串聯(lián)電感，當(dāng)這個(gè)電感與CAN網(wǎng)絡(luò)的寄生電容組合在一起時(shí)會(huì)生成諧振。盡管在大多數(shù)頻帶內(nèi)減少了共模噪聲，這些諧振會(huì)在諧振頻率上導(dǎo)致噪聲數(shù)量增加?？梢栽趫D5中所示的共模噪聲波形中觀察到這個(gè)影響。

圖5：由扼流圈電感導(dǎo)致的共模噪聲

這個(gè)窄帶噪聲特別難管理。它的幅度往往很強(qiáng)，并且，由于扼流圈電感和總線電容的變化，其頻率也會(huì)隨著系統(tǒng)的不同而發(fā)生變化。需要注意的是，一個(gè)共模扼流圈的電感值通常在較寬的公差范圍內(nèi)指定(比如說(shuō)標(biāo)稱值的-30%到50%)。相似地，一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的總線電容將根據(jù)所使用電纜連接的類(lèi)型和長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)而發(fā)生變化。

共模扼流圈的另外一個(gè)意外結(jié)果就是總線上增高的大瞬態(tài)電壓風(fēng)險(xiǎn)。諸如到電源、電池電壓或系統(tǒng)接地的短接等故障情況會(huì)導(dǎo)致共模電流的突然變化。這會(huì)在短路連接/斷開(kāi)，以及CAN驅(qū)動(dòng)在顯性和隱性狀態(tài)之間變換時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)流經(jīng)扼流圈電感的電流快速變化時(shí)，會(huì)在驅(qū)動(dòng)器IC的CAN端子上產(chǎn)生一個(gè)較大的電壓電位。在某些情況下，這個(gè)電壓有可能超過(guò)CAN器件的瞬態(tài)過(guò)壓處理能力，并且會(huì)導(dǎo)致永久損壞。

為了在避免與共模扼流圈有關(guān)的不利影響的同時(shí)減少放射，可使用一個(gè)替代解決方案：減少CAN驅(qū)動(dòng)器的共模噪聲輸出。這看起來(lái)似乎簡(jiǎn)單而又直接，但是這需要半導(dǎo)體廠商進(jìn)行仔細(xì)而又認(rèn)真的設(shè)計(jì)。隱性和顯性狀態(tài)期間的CANH和CANL電壓電平需要受到嚴(yán)格控制，以確保CAN總線波形盡可能地保持平衡。

此外，當(dāng)CANH和CANL線路在顯性和隱性狀態(tài)之間變換時(shí)，它們之間的變換時(shí)間和定時(shí)偏移需要良好匹配，以限制出現(xiàn)在高頻頻帶內(nèi)的共模噪聲。

針對(duì)TI TCAN1042-Q1 CAN收發(fā)器的瞬態(tài)波形如圖6中所示。圖7中給出的是相應(yīng)的放射曲線圖。

圖6：CANH/CANL輸出和共模噪聲

圖7：一個(gè)汽車(chē)故障保護(hù)CAN收發(fā)器的傳導(dǎo)放射

TCAN1042-Q1的良好匹配輸出級(jí)使得輸出共模噪聲極低。這使得在不使用扼流圈等外部共模濾波組件的情況下，放射性能符合OEM的要求。

結(jié)論

雖然共模扼流圈作為一種緩解CAN總線EMC問(wèn)題的方法，目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，全新的高性能收發(fā)器正在使共模扼流圈變得可有可無(wú)。不使用共模扼流圈，可以在避免電路諧振和電感電壓尖峰等問(wèn)題的同時(shí)，使CAN總線的實(shí)現(xiàn)方式變得更小、成本更低。