利用電荷泵為高速CAN收發器供電

在過去的數十年中，從汽車工業的發展趨勢看，汽車制造對于舒適度、效率、環境友好性的要求不斷提升，對于性能和汽車安全性的期望值也不斷提高。在這一趨勢的帶動下，汽車中的電子子系統以及連接這些子系統的配線的數量大幅增加。線纜的增多導致汽車重量增加，當然也增加了成本。不過，在八十年代初期，Bosch公司推出了CAN總線網絡，這種總線網絡有效降低了線路連接的復雜度，減輕了線纜重量并節省了成本，因而被廣泛用于汽車工業。

　　汽車制造從集中控制系統到分布式控制系統的轉變有助于汽車廠商達到降低汽車重量和成本的目標。集中控制系統通過大量線纜將所有執行裝置、傳感器以及開關連接到控制系統，而分布式管理系統將電子控制單元(ECU)放置在需要控制的位置，通過總線系統進行相互通信(例如：兩線制CAN總線網絡)(圖1)。

　　CAN網絡由多個收發器模塊組成，這些收發器通過一對總線鏈接。每個模塊為一個CAN收發器，用于支持協議控制器(微控制器、狀態機或模塊內的其它處理引擎)和物理介質(線纜)之間的物理層互聯。這種新型CAN總線設計需要快速標準化，以確保來自不同廠商的ECU之間正確通信。ISO(國際標準化組織)在1993年首先對其實行了標準化定義，并在2003年和2007做出了進一步修正。目前的ISO 11898標準已經被原始設備制造商(OEM)作為現行標準采用，用于所有汽車內部的CAN通信。

　　為滿足ISO標準并提供正確的總線電平，大部分CAN收發器總線驅動器需要5V電源供電。但電子系統的主電源通常不能滿足子系統的電源要求。這種情況下，提供的系統電源通常不能直接為CAN收發器供電，例如，系統可能只提供一個3.3V電源。有時由于空間限制無法容納最合適的電源數量;有時則由于發熱問題而無法直接從電池產生5V電壓，特別是在電池電壓較高的CAN通信系統中(如：汽車中采用雙電池的情況，或者24V卡車系統)。

　　可以利用電壓轉換器產生所要求的電源電壓，對于低功耗、結構簡單的低成本設計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導體器件，而且易于使用。

　　.電荷泵的選擇

　　1. 收發器電源

　　目前市面上已有簡單、功能成熟的CAN收發器，有些收發器需要單電源供電，而有些收發器需要多路電源供電。為了使來自不同ECU供應商的模塊之間能夠正確地互操作，并實現遵循ISO 11898標準的高速CAN通信，絕大多數模塊需要一個滿足最大容限要求的5V電源。

　　有些收發器還帶有內置I/O電平適配器。利用協議控制器的電源(作用在收發器單獨的電源引腳)，電平適配器按比例調整收發器的I/O電平，使其達到控制器電平。由此，收發器可直接連接工作在5V以下的控制器，無需任何膠合邏輯。

　　低功耗管理收發器支持本地和遠程喚醒，因此帶有另外一個電源引腳。該引腳必須由汽車電池持續供電且消耗的電流很小。因而ECU要求高速CAN總線即使在點火鑰匙“關閉”的條件下也必須保持有效工作。

　　關于CAN收發器其它引腳的功能描述，請參考選定器件的數據資料。

　　2. 電源電流

　　CAN總線通常處于兩個邏輯狀態之一：隱性或顯性(圖2)。正常通信模式下，收發器在顯性狀態下需要最大的輸入電流，隱性狀態所需的輸入電流最小。此時I/O電平適配器和遠程喚醒功能所消耗的電流可以忽略，因為它們通常消耗的是微控制器電源和汽車電池的電流，而且數值非常小。

　　總線出現故障時，電源電流會顯著增大，特別是在CAN_H線與地短路時。大多數收發器都會把短路電流限制在一個特定的最大值。為了防止電源電壓跌落，最好按照這種情況下的電流要求定義電荷泵的輸出電流規格。

　　基于上述考慮，為了給CAN收發器提供適當的電源，要求電荷泵必須保持5V輸出電壓，并滿足收發器數據資料中的標稱電壓容限，最小輸出電流必須支持CAN_H短路到地的情況。

　　利用MAX1759電荷泵為MAX13041收發器供電

　　市場上可以找到多種傳統的CAN收發器和電荷泵器件，本文主要關注MAX13041 HS CAN收發器和MAX1759 buck/boost穩壓型電荷泵的設計，解決收發器供電問題。收發器通過VCC引腳供電，為支持標準的ISO 11898 CAN通信，VCC必須保持在4.75V與5.25V之間(標稱工作電壓范圍)。該電壓在總線(CAN-H，CAN-L)之間建立正確的通信信號，并在IC處于正常工作模式時為接收電路供電。

　　收發器的VI/O輸入使能3.3V I/O微控制器的接口電路，在控制器和收發器的接收/發送 (RxD/TxD)級建立正確的電平。當然，當與5V控制器通信時，VI/O引腳也可以由5V電源供電。

　　VBAT引腳(通常連接到汽車12V電池)為具有極低靜態電流的喚醒檢測電路供電。根據CAN總線的信息，該引腳可以控制MAX13041從休眠模式喚醒。關于其它引腳的詳細說明，請參考MAX13041數據資料。

　　正常通信模式下，MAX13041在顯性狀態需要的最大輸入電流(VCC引腳)為80mA，隱性狀態(圖2)下為10mA。流入VI/O和VBAT的電流可忽略不計。當總線出現故障時，VCC電源電流將顯著增大，特別是當CAN_H信號線與地短路時。MAX13041將短路電流限制在IO(SC) = 95mA。

　　基于上述考慮，為了滿足CAN收發器的供電要求，電荷泵必須具有穩定的5V輸出電壓，確保符合電壓容限的要求，最小輸出電流為95mA。

　　1. 電荷泵要求

　　MAX1759架構允許輸入電壓高于或低于穩壓輸出值。而本應用中，電荷泵僅作為升壓轉換器工作。當VIN低于VOUT時，電荷泵作為穩壓型升壓倍壓器工作。輕載下，電荷泵僅在需要維持負載的供電能量時進行開關操作，消耗很小的靜態電流。輕載時，輸出電壓紋波不會增大。

　　有關電荷泵其它特性的詳細說明，請參考MAX1759數據資料。

　　2. 實現3.3V方案

　　從圖3電路可以看出，用電荷泵為MAX13041供電非常簡單。只需要把MAX1759連接到CAN收發器的VCC輸入(藍色虛線所示)，即可產生滿足容限和輸出電流要求的5V輸出電壓。該配置允許其它電路采用低壓供電。本示例中，外部3.3V電源(綠色)為電荷泵(IN)、微控制器以及收發器的VI/O電平轉換器供電。拉高電荷泵的/SHDN，使器件置于ON狀態。MAX1759數據資料詳細介紹了關于輸入/輸出(CIN, COUT)電容和飛電容(CX)的選擇。

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