教你四步掌握CAN節點隔離設計

各位工程師在工業通訊現場最擔心遇到什么?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CAN隔離模塊在使用中需要注意的細節，幫助大家搭建更可靠的CAN總線網絡。

“隔離”是模塊為CAN節點設備提供可靠數據傳輸的首要保障，通常隔離模塊的“隔離”是指模塊上電后，能為節點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、后級接地、總線保護電路以及實際組網四個層面出發，全方面的介紹模塊的使用細節，幫助大家搭建穩定、可靠的CAN總線網絡。

前級電源保護

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。有些應用是模塊的電源和總線一起傳輸過來，比如20個節點中每個節點的電源和CAN信號線一起布線，節點共用一個電源，或模塊沒有單獨的穩壓供電電源，這種情況必須為模塊電源增加TVS保護及濾波電容，并且確保電源與信號共地，如下圖1所示。

圖1 電源保護

2. 后級接地

一般在短距離，干擾小的場合，可將CAN收發器的CANG懸空處理。但在實際現場應用中CAN總線組網絕大多數采用屏蔽雙絞線，此時需要對屏蔽層接地。若接地節點為金屬機殼，且該節點的初級系統已經接地，這種情況下CAN端口的屏蔽層應該通過一個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. 總線保護電路

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

圖3 橋式保護電路

圖4 普通保護電路

圖3為橋式電路，特點是等效節點電容小，測量各線之間電容小于20pF，該電路適用于CAN總線節點數較多，通信速率較高的場合。

圖4所示的普通電路等效節點電容則更大，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，設備EMI要求高的場合，尤其是汽車行業的應用總線采用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。當收發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生諧振，影響通訊，比如在CAN FD應用場合，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，數據段2Mbps速率通訊，加入保護電路的波形，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構成的差分電壓信號上升、下降斜率小;

4. 實際組網

通用CAN隔離模塊多數有顯性超時保護，模塊的最低波特率被限制為40kbps，模塊組網時最大通信距離應為1公里。當總線通信最大波特率確定后，組網的總線長度及分支長度應不超過表1限制。

表1 不同波特率下的網絡長度

普通應用組網可參考CTM系列隔離收發器數據手冊中已經給出的推薦組網方式，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。組網時雙絞線外屏蔽層單點接大地，內屏蔽層及雙絞線連接每個收發器的CANG 、CANH、CANL，每個CAN節點的CANG通過1000pF電容接設備機殼。

圖6 三線傳輸組網示意圖