CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”

 
隨著CAN總線在電動汽車、充電樁、電力電子、軌道交通等電磁環(huán)境比較惡劣的場合應用越來越多，信號干擾的問題已經(jīng)嚴重影響到使用者對CAN總線的信任。究竟如何才能抗干擾?本文展示了致遠電子CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”。

在汽油車時代，CAN總線遇到的干擾少之又少，即使有一些繼電器和電磁閥的脈沖，也不會有很大影響，稍微進行雙絞處理，完全可以實現(xiàn)零錯誤幀。

可是到了電動汽車年代，逆變器、電動機、充電機等大功率設備對CAN的影響足以中斷通訊，或者損壞CAN節(jié)點，如圖1圖2所示，就是被逆變器干擾的CAN波形。

圖1 干擾前

圖2 干擾后

面對干擾，各個汽車廠、零部件廠，測試診斷設備的廠商都紛紛研究抗干擾之“妙方”，以保證CAN穩(wěn)定運行。本文就以廣州致遠電子有限公司15年的CAN現(xiàn)場故障排查經(jīng)驗，介紹抗干擾6條“軍規(guī)”。

1、CAN接口增加隔離與保護

干擾不但影響信號，更嚴重的會導致板子死機或者燒毀，所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一條“軍規(guī)”.隔離的主要目的是：避免地回流燒毀電路板和限制干擾的幅度，保護控制器不死機。如圖3所示，為未隔離時，兩個節(jié)點的地電位不一致，導致有回流電流，產(chǎn)生共模信號，CAN的抗共模干擾能力是-12~7V，超過這個差值則出現(xiàn)錯誤，如果共模差超過±36V，燒毀收發(fā)器或者電路板。

圖3 未隔離時的地回流

而增加CTM1051KAT隔離模塊后，如圖4和圖5所示。隔絕了地回流，限制了干擾幅度。

圖4 CTM1051KAT隔離模塊

圖5 隔離地回流

增加隔離后，是否萬事大吉了?肯定不是，隔離只是阻擋，如果干擾強度很高，比如達到2KV浪涌，隔離也會被破壞。所以要想達到更高的防護等級，必須增加防浪涌電路。如圖6所示，為致遠電子高速總線標準防浪涌保護電路。

圖6 信號保護電路

此保護電路可達4KV浪涌而不損壞，不過注意如果要通過2500VDC耐壓測試時，需要將GDT和R3拆除，防止高壓擊穿導致測試不通過。

2、CAN線提高雙絞程度

CAN總線為了提高抗干擾能力，采用CANH和CANL差分傳輸，達到效果就是遇到干擾后，可以“同上同下”，最后CANH-CANL的差分值保持不變。如圖7所示。

圖7 差分抗干擾示意圖

可是，這種抗干擾能力，必須的條件是，CANH和CANL要很緊密地靠在一起，否則受到的干擾強度就不一樣，就會導致差分信號受到干擾。所以CANH和CANL要緊密地絞在一起，通常雙絞線只有33絞/米，而在強干擾場合，雙絞程度要超過55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。另外線纜的芯截面積要大于0.35~0.5 mm2 ，CAN_H對CAN_L的線間電容小于75 pF/m，如果采用屏蔽雙絞線，CAN_H (或CAN_L) 對屏蔽層的電容小于110 pF/m?？梢愿玫亟档途€纜阻抗，從而降低干擾時抖動電壓的幅度。

圖8 雙絞線

3、CAN線保證屏蔽效果與正確接地

帶屏蔽層的CAN線，可以良好地抵御電場的干擾，等于整個屏蔽層是一個等勢體，避免CAN導線受到干擾。如圖9所示，為一個標準的屏蔽雙絞線，CANH和CANL通過鋁箔和無氧銅絲屏蔽網(wǎng)包裹，如圖9所示。需要注意的是和與接插件的連接，在連接部分允許有短于25 mm 的電纜不用雙絞。

圖9 屏蔽雙絞線

較好的CAN屏蔽線帶有2層屏蔽層，稱為雙層屏蔽線，其中內(nèi)層的CAN_GND是與CAN收發(fā)器的地連接，外層的Shield是與外殼大地相連。內(nèi)層可以平衡信號的地電位，抑制共模干擾，減少錯誤幀，但強干擾時收發(fā)器損壞率會提高;外層可以泄放電荷到大地，如圖10所示。

圖10 雙層屏蔽線

使用屏蔽線后，在屏蔽層沒有良好接大地前，屏蔽線是不起作用的。所以我們要選擇一種接地方式。通常來說，屏蔽層單點接地可以避免地回流(不同位置的地電位不同而導致的產(chǎn)生電流)、多點接地可以加快高頻干擾信號的泄放。所以要根據(jù)實際情況選擇合適的接地方式。如圖11所示。

圖11 屏蔽層接地方法

在CAN的應用場合，由于距離一般都較遠，所以大部分采用屏蔽層單點接地的原則，在干線上找一點將屏蔽層用導線直接接地，該點應是所受干擾最小的點，同時該點位于網(wǎng)絡中心附近。

4、CAN線遠離干擾源

遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法，如果CAN線與強電干擾源遠離0.5米，干擾就基本影響不到了?？墒窃趯嶋H布線中，經(jīng)常遇到空間太小而不得不和強電混在一起，如圖12所示，為某新能源汽車的驅動系統(tǒng)，CAN線與驅動線混在一起，結果導致干擾很大。只要與CAN并行的驅動線，具備2A/秒的電流變化，就會耦合出強磁場而導致CAN線上出現(xiàn)干擾脈沖。所以CAN線必須要和電流會劇烈變化的線纜遠離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機驅動線等。

圖12 布線亂問題

而解決這個問題，只能盡量保證強電與弱電分開捆扎，距離上盡量遠離。實在避不開，也要垂直交叉，也不能平行布線。

5、增加磁環(huán)或者共模電感

使用抗干擾的磁環(huán)，目的就是削弱特定頻率的干擾的影響。如圖13所示，為增加磁環(huán)的效果。CAN差分線纜可以兩線一起加，或者單端單獨加。

圖13 增加磁環(huán)

磁環(huán)的效果可以大大削減特定頻率的干擾強度，在增加磁環(huán)前，需要用CANScope或者示波器FFT快速傅里葉變化功能，測試出最高干擾的頻率，然后向磁環(huán)廠家定制對應頻率的磁環(huán)。如圖14所示。為增加磁環(huán)前和增加磁環(huán)后的FFT的結果。可以看出干擾強度明顯減小。

圖14 增加磁環(huán)后的效果

需要注意的是增加磁環(huán)或者共模電感時，不可隨意添加，如果適應頻率不對，則會影響正常信號通訊。

6、CAN轉為光纖傳輸

抗干擾的終極手段就是把CAN轉化為光纖傳輸，光纖是一種無法被電磁干擾的傳輸介質。如果前5種抗干擾手段均無法解決干擾問題，可以把CAN轉化為光纖，實現(xiàn)“無懈可擊”。如圖15所示。為使用致遠電子的CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組合的光纖主干網(wǎng)絡。

圖15 使用光纖轉換器實現(xiàn)光纖主干傳輸

結語：

致遠電子擁有近20年的CAN總線系統(tǒng)解決方案，形成產(chǎn)品系列最全的CAN總線設備家族。具備一支經(jīng)驗豐富的CAN故障診斷和測試的技術團隊，可以給客戶提供全套的技術服務支持。

圖16 致遠電子CAN解決方案家族