CAN總線：設計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：協議

• 第3部分：設計CAN總線電路

CAN總線節點中有三個主要部件：

1. 微處理器

2. CAN總線控制器

3. CAN總線收發器

CAN總線控制器實現網絡協議ISO 11898–1的所有低級功能，同時收發器與物理層通信。不同的物理層需要不同的收發器，如高速can、低速容錯can、高速可變數據速率can。

在一個典型的實現中，CAN總線控制器和微處理器被統一成一個啟用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雜性。

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

所有的CAN總線收發器的工作原理類似，因為它們位于實現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，你應該仔細考慮。

快速搜索合適的八角分類揭示了CAN總線收發器的主要制造商按提供的集成電路數量降序排列為NXP半導體、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總線收發器包括很少的ESD（靜電放電）事件保護。它們要求所有的I/O保護都要用外部組件來實現。

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

更高的ESD容限可以讓您節省外部保護，但您應該知道，在高質量的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機。

市面上大多數收發器的工作電壓為5V，但為3.3V設計的集成電路也極受歡迎。如果不反復使用dc-dc轉換器，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設備的互操作性與收發器的電源無關。

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總線收發器。

所有高速CAN總線收發器可在小型網絡上運行高達1Mbps。CAN-FD收發器的工作速度最高可達5Mbps，但其中許多收發器的速度僅限于2Mbps等較低的速度。

最終的系統數據速率將受到總線電容、CAN總線標識符的分配以及正在傳輸的CAN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總線收發器。例如，引入電流隔離可以保護電路的低壓部分，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點之間的地電位有更大的差異來改善通信。

當然，隔離的CAN總線收發器將需要類似的隔離電源。

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

當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，但允許收發機限制其產生的電磁干擾量。

所有符合ISO 11898–2標準的收發器必須能夠承受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，并且能夠在-2V和7V之間的共模總線電壓下工作。

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

以下是幾個例子：

現在，50V以上的電壓是標準的，因為許多車輛都采用48V工作的混合動力系統，收發器應該能夠承受對系統高壓供電軌短路的總線。

對于網絡上可以容納多少節點沒有硬性規定，但最關鍵的參數之一是收發器上CANH和CANL之間的輸入阻抗。

高輸入阻抗將對總線產生邊際影響，并使節點數目增加。

一些收發器實現了廣泛的保護功能，例如：

• 例如，由于一個主要的驅動程序的輸出時間太長而導致軟件失效。

• 熱關機

• 欠壓鎖定：設備在欠壓狀態下被禁用。

• 隱性功率不足狀態：當沒有正確供電時，設備不會以任何方式驅動總線。

• 限流：對正或負電源電壓短路時的保護。

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

在我的設計中，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，收發器輸出級的負載增加，功耗增加。

CAN總線的兩端應使用120R的電阻器進行端接。當然，我們可以正確計算瓦特數（標準值為1/4W，如果我們是偏執狂，則為1/2W），放置我們可愛的小電阻，然后結束工作。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過行業驗證的CAN總線板都采用了一種更為復雜的技術，即分體式終端。

在分裂終端，兩個60歐姆電阻串聯使用，總計120歐姆。兩個電阻器之間的電氣節點通過電容器（通常為4.7nF）接地。

計算了電容值，得到了網絡基頻處的截止頻率為-3db。

在我的例子中，網絡的波特率應該是1mbit/s。假設最壞情況下，當網絡傳輸一系列交替位（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。

如果您的系統沒有受到嚴重的靜電放電，收發機集成電路中包含的保護可能是一切所需的。

瞬態電壓抑制器（TVS）二極管由于其等效并聯電容較低而成為一種常用的選擇。

其他過電壓保護裝置，如mov，通常具有很高的寄生電容，可以限制總線數據傳輸速率，尤其是對于具有多個節點的總線。

市面上有幾種專門為CAN總線設計的TVS二極管，例如，NUP2105L，我決定在本次設計中采用這種二極管。

至于收發器，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，所有的電磁干擾電流都會從你的連接器直接進入你的收發器，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。

所有保護組件應盡可能靠近該路徑，以避免增加回路面積。此外，所有保護應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。

當然，不可能把所有的東西都塞進連接器附近，所以我們必須優先考慮。一般的經驗法則是首先放置必須處理“最壞”EMI違規者的組件。

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，仍有改進的余地。TVS二極管可旋轉180度，進一步減小ESD回路面積。電容器C5和C6也可以旋轉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計示例。紅色的返回路徑。

在這個設計中，我在焊盤的外圍使用過孔。與焊盤通孔技術不同，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，焊膏會在內部流動，焊盤不會充分潤濕。

您可以通過屬性找到有關Altium Designer的文檔在這里 .

低電感詳細設計圖6

假設我們現在花了幾個小時閱讀可疑人物寫的文章，研究收發器，測試和驗證我們完美的CAN總線子電路。現在呢？

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計電路，使用端口作為輸入和輸出，類似于分層設計。

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”綠色符號進行區分。

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色而不是黃色和紅色，請查看我之前關于設計風格的文章。

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點的EMI彈性。然而，相同的電阻有助于網絡負載，減少節點數量，降低總線的最終標稱阻抗，并降低最大速度。

第二輪保護是最重要的，如果您不考慮增加第二輪保護的話：

MOV（金屬氧化物變阻器）或GDT（氣體放電管）“吸收”比電視機所能處理的更高的能量。
MOV/GDT和收發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體變阻器）。

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

標準模式扼流圈是CAN總線上最常見的過濾器類型，它們工作良好，但也有一些你應該考慮的缺點。

共模扼流圈可與can總線的寄生電容產生共振，導致少數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，這種效應會使can總線設備的EMI特性變得不可預測。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，如對電源短路或對地短路，會導致高瞬態共模電流。在某些情況下，共模扼流圈電感產生的過電壓會損壞can總線收發器。這些過電壓很難調試，因為它們是在過電壓保護之后產生的，而過電壓保護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總線網絡推出隔離的、高抗電磁干擾的設備。

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準之一。