CAN總線：設(shè)計CAN總線電路

本文是由三部分組成的CAN總線介紹系列的一部分：

• 第1部分：非正式介紹

• 第2部分：協(xié)議

• 第3部分：設(shè)計CAN總線電路

CAN總線節(jié)點中有三個主要部件：

1. 微處理器

2. CAN總線控制器

3. CAN總線收發(fā)器

CAN總線控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ISO 11898–1的所有低級功能，同時收發(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(shù)據(jù)速率can。

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

在本文中，我們將研究從收發(fā)器到can總線連接器的電路設(shè)計。是時候把我們的手弄臟，設(shè)計我們的CAN總線電路！

所有的CAN總線收發(fā)器的工作原理類似，因為它們位于實現(xiàn)CAN總線控制器的微控制器（或FPGA）和CAN總線本身之間。不過，還是有一些不同之處，你應(yīng)該仔細(xì)考慮。

快速搜索合適的八角分類揭示了CAN總線收發(fā)器的主要制造商按提供的集成電路數(shù)量降序排列為NXP半導(dǎo)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)器看起來都很相似，但它們的特性和性能卻各不相同。

市場上第一個CAN總線收發(fā)器包括很少的ESD（靜電放電）事件保護(hù)。它們要求所有的I/O保護(hù)都要用外部組件來實現(xiàn)。

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

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

如果您的應(yīng)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，我買了一臺外置電視和一臺更便宜的收發(fā)機(jī)。

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

圖1.MAX14883E簡化框圖，由Maxim Integrated提供

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

所有高速CAN總線收發(fā)器可在小型網(wǎng)絡(luò)上運行高達(dá)1Mbps。CAN-FD收發(fā)器的工作速度最高可達(dá)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(tǒng)數(shù)據(jù)速率將受到總線電容、CAN總線標(biāo)識符的分配以及正在傳輸?shù)腃AN幀類型的限制。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總線收發(fā)器。例如，引入電流隔離可以保護(hù)電路的低壓部分，以防母線接觸到危險電壓。同樣的隔離也可以通過打破接地回路和允許節(jié)點之間的地電位有更大的差異來改善通信。

當(dāng)然，隔離的CAN總線收發(fā)器將需要類似的隔離電源。

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

當(dāng)模式選擇輸入通過一個至少幾個千歐的電阻拉高或低時，它有時會加倍作為斜率控制。降低信號斜率，雖然它可以限制帶寬，但允許收發(fā)機(jī)限制其產(chǎn)生的電磁干擾量。

所有符合ISO 11898–2標(biāo)準(zhǔn)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斷開，能夠承受-150V到100V的瞬態(tài)，并且能夠在-2V和7V之間的共?？偩€電壓下工作。

事實上，市場上所有的集成電路都超過了這些要求，一場關(guān)于誰能在后臺展示最重要數(shù)字的非正式競賽正在進(jìn)行。

以下是幾個例子：

現(xiàn)在，50V以上的電壓是標(biāo)準(zhǔn)的，因為許多車輛都采用48V工作的混合動力系統(tǒng)，收發(fā)器應(yīng)該能夠承受對系統(tǒng)高壓供電軌短路的總線。

對于網(wǎng)絡(luò)上可以容納多少節(jié)點沒有硬性規(guī)定，但最關(guān)鍵的參數(shù)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產(chǎn)生邊際影響，并使節(jié)點數(shù)目增加。

一些收發(fā)器實現(xiàn)了廣泛的保護(hù)功能，例如：

• 例如，由于一個主要的驅(qū)動程序的輸出時間太長而導(dǎo)致軟件失效。

• 熱關(guān)機(jī)

• 欠壓鎖定：設(shè)備在欠壓狀態(tài)下被禁用。

• 隱性功率不足狀態(tài)：當(dāng)沒有正確供電時，設(shè)備不會以任何方式驅(qū)動總線。

• 限流：對正或負(fù)電源電壓短路時的保護(hù)。

大多數(shù)CAN總線收發(fā)器包括一種只收模式，它將TXD反饋給RXD，而不需要實際驅(qū)動總線。此功能通常用于自動確定總線波特率。

在我的設(shè)計中，我選擇了TJA1051，主要是因為我很便宜，而且它是市場上最實惠的集成電路之一。可以找到產(chǎn)品頁面在這里 .

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。模型自動從 Altium 365型 ?的云庫

圖2.Altium Designer內(nèi)部的制造商部件搜索面板。

我不需要說我們需要本地旁路電容器，是嗎？

此外，在CANH和CANL線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，隨著總線電容的增加，總線速度降低，收發(fā)器輸出級的負(fù)載增加，功耗增加。

CAN總線的兩端應(yīng)使用120R的電阻器進(jìn)行端接。當(dāng)然，我們可以正確計算瓦特數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)值為1/4W，如果我們是偏執(zhí)狂，則為1/2W），放置我們可愛的小電阻，然后結(jié)束工作。但為什么要把事情簡單化呢？

迄今為止，我所見過的幾乎所有經(jīng)過行業(yè)驗證的CAN總線板都采用了一種更為復(fù)雜的技術(shù)，即分體式終端。

在分裂終端，兩個60歐姆電阻串聯(lián)使用，總計120歐姆。兩個電阻器之間的電氣節(jié)點通過電容器（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(yīng)該是1mbit/s。假設(shè)最壞情況下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸一系列交替位（01010101）時，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，一個稍微小一點的電容器對我們寶貴的信號的干擾就會小一些。因此，4.7nF，這是最廣泛采用的值。

如果你需要一個被動元件庫，我衷心推薦馬克·哈里斯的天體圖書館。它是廣泛的，精心策劃的。

如果您的系統(tǒng)沒有受到嚴(yán)重的靜電放電，收發(fā)機(jī)集成電路中包含的保護(hù)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。

其他過電壓保護(hù)裝置，如mov，通常具有很高的寄生電容，可以限制總線數(shù)據(jù)傳輸速率，尤其是對于具有多個節(jié)點的總線。

市面上有幾種專門為CAN總線設(shè)計的TVS二極管，例如，NUP2105L，我決定在本次設(shè)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。

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

所有保護(hù)組件應(yīng)盡可能靠近該路徑，以避免增加回路面積。此外，所有保護(hù)應(yīng)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(dāng)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(guī)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，如果中間沒有端接電阻，共模扼流圈會排在第二位。

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(zhuǎn)180度，進(jìn)一步減小ESD回路面積。電容器C5和C6也可以旋轉(zhuǎn)180度，向右移動一點點。

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

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

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

圖5.低電感和高電感通孔設(shè)計示例。紅色的返回路徑。

在這個設(shè)計中，我在焊盤的外圍使用過孔。與焊盤通孔技術(shù)不同，它不需要額外的步驟來制造PCB，因此不會增加成本。過孔必須蓋油，否則，焊膏會在內(nèi)部流動，焊盤不會充分潤濕。

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

低電感詳細(xì)設(shè)計圖6

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

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

第一步是在一個原理圖文檔中設(shè)計電路，使用端口作為輸入和輸出，類似于分層設(shè)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，組織中的所有用戶都可以訪問該文件夾，您可以繼續(xù)上載原理圖工作表。

圖9.帶有新添加的托管原理圖頁的Explorer面板。

現(xiàn)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“重用”綠色符號進(jìn)行區(qū)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(lán)色而不是黃色和紅色，請查看我之前關(guān)于設(shè)計風(fēng)格的文章。

一個可選的“弱”終端，例如1.3Kohm，可以幫助提高具有長存根距離的節(jié)點的EMI彈性。然而，相同的電阻有助于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，減少節(jié)點數(shù)量，降低總線的最終標(biāo)稱阻抗，并降低最大速度。

第二輪保護(hù)是最重要的，如果您不考慮增加第二輪保護(hù)的話：

MOV（金屬氧化物變阻器）或GDT（氣體放電管）“吸收”比電視機(jī)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(dǎo)體變阻器）。

不過，如果你始終牢記這些設(shè)備可能會增加等效總線電容，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，增加電流消耗，這會有所幫助。

標(biāo)準(zhǔn)模式扼流圈是CAN總線上最常見的過濾器類型，它們工作良好，但也有一些你應(yīng)該考慮的缺點。

共模扼流圈可與can總線的寄生電容產(chǎn)生共振，導(dǎo)致少數(shù)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度的變化而變化，這種效應(yīng)會使can總線設(shè)備的EMI特性變得不可預(yù)測。如果使用非屏蔽電纜，電容會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?qū)Φ囟搪?，會?dǎo)致高瞬態(tài)共模電流。在某些情況下，共模扼流圈電感產(chǎn)生的過電壓會損壞can總線收發(fā)器。這些過電壓很難調(diào)試，因為它們是在過電壓保護(hù)之后產(chǎn)生的，而過電壓保護(hù)通常位于電路板的邊緣。

扼流圈的第三個缺點…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“無扼流圈”的CAN總線網(wǎng)絡(luò)推出隔離的、高抗電磁干擾的設(shè)備。

我特別決定用一個普通的卡死模式。

我一定愛上了CAN總線。在其無窮的靈活性和極端的抗電磁干擾能力之間，它無疑是世界上最令人興奮的標(biāo)準(zhǔn)之一。