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[導(dǎo)讀]在CAN節(jié)點的設(shè)計中,我們通常為了總線的通訊更為可靠,為CAN接口增加各種器件,但實際并非所有應(yīng)用都需要,過多防護不僅增加成本,而且器件的寄生參數(shù)必然影響信號質(zhì)量。本文將簡單介紹共模電感用于總線的作用。

在CAN節(jié)點的設(shè)計中,我們通常為了總線的通訊更為可靠,為CAN接口增加各種器件,但實際并非所有應(yīng)用都需要,過多防護不僅增加成本,而且器件的寄生參數(shù)必然影響信號質(zhì)量。本文將簡單介紹共模電感用于總線的作用。

我們在實際應(yīng)用中看到許多CAN產(chǎn)品會使用共模電感,但在常規(guī)測試中卻看不到它對哪一項指標有明顯改善,反而影響波形質(zhì)量。許多工程師為了以防萬一,確??煽?,會對CAN增加全面外圍電路。CAN芯片已經(jīng)有很好的抗靜電,瞬態(tài)電壓能力,有些收發(fā)器本身也有很好的EMC性能,我們在應(yīng)用中可根據(jù)設(shè)計要求逐個增加防護、濾波等外圍。對于CAN總線要不要加共模電感,我們主要從電磁兼容方面考慮。

1、共模電感

先介紹共模干擾,圖 1、圖 2分別給出了差模和共模干擾及其傳輸路徑。圖中的驅(qū)動器及接收器為差分信號傳輸,類似CAN總線。差模干擾產(chǎn)生于兩條傳輸線之間,共模干擾則在兩條線中同時產(chǎn)生,其電勢是以地為參考。

 

 

圖 1 差模干擾及傳輸路徑

 

 

圖 2 共模干擾及傳輸路徑

共模電感是在一個磁環(huán)的上下兩個半環(huán)上,分別繞制相同匝數(shù)但繞向相反的線圈。共模干擾是相同的,所以在磁環(huán)中形成的磁力線相互疊加,電感阻抗大從而起到衰減干擾的作用。對于差模信號在磁環(huán)中形成的磁力線是相互抵消的,并沒有抑制作用,僅有線圈電阻及很小的漏感對差模信號有略微影響。共模電感本質(zhì)上是一個雙向濾波器,一方面濾除信號線上的共模信號干擾,另一方面抑制信號線本身不向外發(fā)出電磁干擾。圖 2中的干擾信號則能很好地被共模電感抑制,而差分信號則幾乎無影響。

2、CAN總線特性

CAN收發(fā)器內(nèi)部CANH、CANL分別為開源,開漏輸出形式,驅(qū)動電路如圖 3所示。這種方式可以使總線輕松實現(xiàn)顯性電平的驅(qū)動,而隱性電平則通過終端電阻放電來實現(xiàn)。

 

 

圖 3 CAN收發(fā)器驅(qū)動電路

總線固有的差分傳輸形式使得CAN對于共模干擾有很好的抑制能力,如圖 4所示,通過CANH、CANL相減可很好地消除來自外部的共模干擾,但CANH、CANL并非理想對稱,快速上升的跳變沿,這些均會帶來EMC問題。我們通過示波器看總線波形很完美,測試靜電,EFT,浪涌,傳導(dǎo)騷擾抗擾均無異常。但測試傳導(dǎo)發(fā)射,則不能滿足限值要求,看起來很正常的總線實際卻向外在發(fā)送傳導(dǎo)干擾。

 

 

圖 4 CAN傳輸波形

3、為什么要加共模電感?

對于CAN接口的EMC問題,除了選用更好性能,符號要求的CAN收發(fā)芯片,另一種簡單的方法就是對CAN接口增加外圍,共模電感是一種很好的選擇。在現(xiàn)有汽車電子CISPR 25標準中,對傳導(dǎo)騷擾限值有很嚴格要求。許多CAN收發(fā)器均會超過限值。如圖 5分別為按照車規(guī)限制測試增加和不加共模電感的CAN接口傳導(dǎo)騷擾,共模電感值為51μH,可以看到在各個頻段下對噪聲改善較為明顯,測試結(jié)果仍有很大裕量。

 

 

圖 5 傳導(dǎo)騷擾測試

共模電感對降低傳導(dǎo)騷擾有明顯作用,可幫助我們快速通過測試要求,滿足現(xiàn)有汽車用要求,但總線增加共模電感也會帶來兩個問題:諧振和瞬態(tài)電壓。共模電感不可避免地會有寄生電感,直流電阻,考慮總線節(jié)點數(shù),通信距離等因素,會引起諧振,影響總線信號質(zhì)量,如圖 6,綠色波形為增加共模電感的總線波形,信號下降沿已有明顯的諧振。另外,共模電感感量較大,且直接節(jié)在收發(fā)器接口,實際應(yīng)用中出現(xiàn)短路,熱插拔等狀態(tài)會使共模電感兩端產(chǎn)生瞬態(tài)高壓,嚴重時會直接損壞收發(fā)器。

 

 

圖 6 增加共模電感的CAN波形

4、總結(jié)

共模電感用于總線的優(yōu)缺點較為明顯,它可以濾除信號線的共模電磁干擾,衰減差分信號高頻部分,抑制CAN接口自身向外發(fā)出的電磁干擾,在傳導(dǎo)騷擾方面有很好地改善作用,但應(yīng)用仍要考慮其帶來的諧振與瞬態(tài)電壓,這些在長距離,多節(jié)點通訊中對總線信號質(zhì)量是不利的,對于一般工業(yè)應(yīng)用對傳導(dǎo)發(fā)射并無嚴格要求,因此可不增加共模電感。

ZLG致遠電子基于多年的總線防護設(shè)計積累推出了高防護等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標準,靜電防護等級可達接觸±8kV,空氣放電±15kV,浪涌防護可達±4kV隔離CAN解決方案,具體如下圖7所示,能夠適用于各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。應(yīng)用簡便,即插即用,應(yīng)用原理圖如下圖8所示。

 

 

圖7 CTM1051(A)HP的EMC性能

 

 

圖8 應(yīng)用原理圖

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