教你四步掌握CAN節(jié)點(diǎn)隔離設(shè)計(jì)

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

“隔離”是模塊為CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖滓Ｕ?，通常隔離模塊的“隔離”是指模塊上電后，能為節(jié)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(hù)、后級接地、總線保護(hù)電路以及實(shí)際組網(wǎng)四個層面出發(fā)，全方面的介紹模塊的使用細(xì)節(jié)，幫助大家搭建穩(wěn)定、可靠的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

前級電源保護(hù)

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(yīng)用是模塊的電源和總線一起傳輸過來，比如20個節(jié)點(diǎn)中每個節(jié)點(diǎn)的電源和CAN信號線一起布線，節(jié)點(diǎn)共用一個電源，或模塊沒有單獨(dú)的穩(wěn)壓供電電源，這種情況必須為模塊電源增加TVS保護(hù)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(hù)

2. 后級接地

一般在短距離，干擾小的場合，可將CAN收發(fā)器的CANG懸空處理。但在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中CAN總線組網(wǎng)絕大多數(shù)采用屏蔽雙絞線，此時需要對屏蔽層接地。若接地節(jié)點(diǎn)為金屬機(jī)殼，且該節(jié)點(diǎn)的初級系統(tǒng)已經(jīng)接地，這種情況下CAN端口的屏蔽層應(yīng)該通過一個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. 總線保護(hù)電路

模塊CAN接口面對總線，需要更高的浪涌及靜電防護(hù)等級。CTM系列模塊CAN接口裸機(jī)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(hù)電路。常用的有以下兩種保護(hù)電路，圖3、圖4中的TVS管等效結(jié)電容約為500~1000pF。

圖3 橋式保護(hù)電路

圖4 普通保護(hù)電路

圖3為橋式電路，特點(diǎn)是等效節(jié)點(diǎn)電容小，測量各線之間電容小于20pF，該電路適用于CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，通信速率較高的場合。

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

共模電感：對總線共模干擾大，設(shè)備EMI要求高的場合，尤其是汽車行業(yè)的應(yīng)用總線采用51μH的共模電感可有效解決問題。加入共模電感帶來的問題便是引入諧振干擾。當(dāng)收發(fā)器的總線信號上升下降時間較短時，共模電感與總線分布電容產(chǎn)生諧振，影響通訊，比如在CAN FD應(yīng)用場合，這種諧振會影響總線的正常通訊。圖5為CTM5MFD模塊采用ID段1Mbps，數(shù)據(jù)段2Mbps速率通訊，加入保護(hù)電路的波形，其中綠色為加入共模電感的波形，粉紅色為無共模電感的波形。

圖5 浪涌電路加入電感波形對比

除了總線分布參數(shù)帶來的影響外，模塊本身的CAN差分信號也會影響諧振電壓幅值。CAN收發(fā)器滿足以下兩個條件，可有助于降低諧振電壓幅值。

1) CANH、CANL信號要同步，且對稱性好;

2) CANH、CANL構(gòu)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(shù)有顯性超時保護(hù)，模塊的最低波特率被限制為40kbps，模塊組網(wǎng)時最大通信距離應(yīng)為1公里。當(dāng)總線通信最大波特率確定后，組網(wǎng)的總線長度及分支長度應(yīng)不超過表1限制。

表1 不同波特率下的網(wǎng)絡(luò)長度

普通應(yīng)用組網(wǎng)可參考CTM系列隔離收發(fā)器數(shù)據(jù)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。下面給出采用雙層屏蔽雙絞線的參考組網(wǎng)方式。這種方式為三線傳輸方式，傳輸效果及抗干擾性最好。組網(wǎng)時雙絞線外屏蔽層單點(diǎn)接大地，內(nèi)屏蔽層及雙絞線連接每個收發(fā)器的CANG 、CANH、CANL，每個CAN節(jié)點(diǎn)的CANG通過1000pF電容接設(shè)備機(jī)殼。

圖6 三線傳輸組網(wǎng)示意圖