CAN总線(xiàn)：设计CAN总線(xiàn)電(diàn)路

2021-04-20

CAN总線(xiàn)：设计CAN总線(xiàn)電(diàn)路

CAN总線(xiàn)节点中包含三个主要组件：

微处理(lǐ)器

CAN总線(xiàn)控制器

CAN总線(xiàn)收发器

CAN总線(xiàn)控制器实现了网络协议ISO 11898-1的所有(yǒu)低级功能(néng)，而收发器则与物(wù)理(lǐ)层进行通信。不同的物(wù)理(lǐ)层需要使用(yòng)不同的收发器，例如高速罐，低速容错罐或具有(yǒu)可(kě)变数据速率的高速罐。

在典型的实现中，CAN总線(xiàn)控制器和微处理(lǐ)器被集成為(wèi)支持CAN的微控制器。市场上有(yǒu)带SPI接口的外部CAN总線(xiàn)控制器，主要由Microchip制造，但它们通常会增加不必要的成本和复杂性。

在本文(wén)中，我们将研究从收发器到CAN总線(xiàn)连接器的電(diàn)路设计。现在该弄脏我们的手，设计我们的CAN总線(xiàn)電(diàn)路了！

第一步-选择合适的IC

所有(yǒu)CAN总線(xiàn)收发器的运行方式相似，因為(wèi)它们位于实现CAN总線(xiàn)控制器的微控制器（或FPGA）与CAN总線(xiàn)本身之间。不过，您仍应仔细考虑一些差异。

快速搜索合适的Octopart类别后，可(kě)以发现，领先的CAN总線(xiàn)收发器制造商(shāng)按照所提供的IC数量从高到低依次為(wèi)NXP Semiconductors，Microchip，Texas Instruments，Maxim Integrated，Analog Devices和ST Microelectronics。

所有(yǒu)这些收发器看起来都很(hěn)相似，但是它们的功能(néng)和性能(néng)都不同。

静電(diàn)防护

市场上第一批CAN总線(xiàn)收发器几乎没有(yǒu)针对ESD（静電(diàn)释放）事件的保护。他(tā)们要求所有(yǒu)I / O保护都必须通过外部组件来实现。 

幸运的是，情况已不再如此。以下是一些随机IC及其在总線(xiàn)引脚上的HBU（人體(tǐ)模型）ESD容限：

零件号	制造商(shāng)	ESD HBM容限
L9616	意法半导體(tǐ)	6kV
IFX1050G	英飞凌	6kV
TJA1051	恩智浦半导體(tǐ)	8kV
LTC2875	線(xiàn)性技术	25kV的
的MAX14883E	Maxim Integrated	22kV的

较高的ESD耐受性可(kě)以节省外部保护，但您应该意识到，在优质TVS二极管上花(huā)费几美分(fēn)可(kě)以极大地提高可(kě)靠性。

如果您的应用(yòng)程序受空间限制，而您不必处理(lǐ)太多(duō)的ESD，那么多(duō)合一方式是可(kě)行的。就我而言，我选择了外部TVS和价格更便宜的收发器。

工作電(diàn)压

市场上大多(duō)数收发器的工作電(diàn)压均為(wèi)5V，但专為(wèi)3.3V设计的IC也非常受欢迎。如果不重新(xīn)使用(yòng)dc-dc转换器，则无法提供较低的電(diàn)源電(diàn)压。某些集成電(diàn)路，例如Maxim Integrated的MAX14883E，都具有(yǒu)逻辑電(diàn)平的電(diàn)源输入，无论收发器的電(diàn)源如何，都可(kě)与1.8V器件实现互操作性。

图1. MAX14883E简化框图，由Maxim Integrated提供

就我而言，我的MCU工作在3.3V，因此我也将其选择用(yòng)于CAN总線(xiàn)收发器。

速度

在小(xiǎo)型网络上，所有(yǒu)高速CAN总線(xiàn)收发器均可(kě)以高达1Mbps的速度运行。CAN-FD收发器可(kě)以高达5Mbps的速度运行，但是许多(duō)收发器仅限于较低的速度，例如2Mbps。 

最终的系统数据速率将受到总線(xiàn)電(diàn)容，CAN总線(xiàn)标识符的分(fēn)配以及正在传输的CAN帧类型的限制。最坏的情况通常是有(yǒu)效波特率是最大值的三分(fēn)之一。

隔离

出于安全要求，可(kě)能(néng)需要隔离的CAN总線(xiàn)收发器。例如，在总線(xiàn)进入危险電(diàn)压的情况下，引入電(diàn)流隔离可(kě)以保护電(diàn)路的低压部分(fēn)。相同的隔离还可(kě)以通过断开接地回路并允许节点之间的接地電(diàn)势有(yǒu)更大的差异来改善通信。

当然，隔离的CAN总線(xiàn)收发器将需要类似的隔离電(diàn)源。

省電(diàn)功能(néng)

许多(duō)收发器都包括一个模式选择输入，可(kě)用(yòng)于降低IC的功耗并关闭发射器。通常，接收器保持活动状态，并且RXD引脚可(kě)用(yòng)于触发微控制器中的唤醒中断。

当通过至少几kOhm的電(diàn)阻将模式选择输入拉高或拉低时，模式选择输入有(yǒu)时会兼作斜率控制。减小(xiǎo)信号斜率虽然可(kě)以限制带宽，但允许收发器限制其产生的電(diàn)磁干扰量。

总線(xiàn)和共模電(diàn)压范围

所有(yǒu)符合ISO 11898–2的收发器都必须能(néng)够承受-3V至+ 32V接地之间的CANH和CANL上的DC電(diàn)压，而不会中断，能(néng)够承受-150V至100V的瞬变，并且能(néng)够以介于-2V和+ 7V。

几乎所有(yǒu)市场上的IC都超出了这些要求，举行了非正式的竞赛，由谁来展示后台发生的最重要的数字。

这里有(yǒu)一些例子：

零件号	制造商(shāng)	CANH和CANL上的直流電(diàn)压
L9616	意法半导體(tǐ)	-5V至+ 36V
IFX1050G	英飞凌	-40V至+ 40V
TJA1051	恩智浦半导體(tǐ)	-58V至+ 58V
LTC2875	線(xiàn)性技术	+ 60V至+ 60V
的MAX14883E	Maxim Integrated	+ 63V至+ 63V

如今，高于50V的電(diàn)压已成為(wèi)标准配置，因為(wèi)许多(duō)車(chē)辆都采用(yòng)48V混合动力系统，并且收发器应能(néng)够承受与系统较高電(diàn)压供電(diàn)轨短接的总線(xiàn)。

输入阻抗

对于网络中可(kě)以容纳多(duō)少个节点没有(yǒu)严格的规定，但是最关键的参数之一将是收发器上CANH和CANL之间的输入阻抗。

高输入阻抗将对总線(xiàn)产生边际影响，并启用(yòng)更多(duō)节点。

智能(néng)防护

一些收发器实现了广泛的保护功能(néng)，例如：

主导状态超时：如果总線(xiàn)由于诸如硬件或软件故障等原因保持主导状态的时间过長(cháng)，则会禁用(yòng)输出驱动器。

热关机。

欠压锁定：在欠压条件下禁用(yòng)该设备。

隐性電(diàn)源不足状态：如果未正确供電(diàn)，则设备不会以任何方式驱动总線(xiàn)。

限流：在正负電(diàn)源電(diàn)压短路时提供保护。

自动波特率和仅收听

大多(duō)数CAN总線(xiàn)收发器都包含仅侦听模式，该模式将TXD反馈到RXD，而无需实际驱动总線(xiàn)。此功能(néng)通常用(yòng)于自动确定总線(xiàn)波特率。

我的选择

在我的设计中，我选择了TJA1051，主要是因為(wèi)我很(hěn)便宜，并且它是市场上最便宜的IC之一。产品页面可(kě)以在这里找到。

使用(yòng)“制造商(shāng)零件搜索”面板，我立即找到了包含足迹和3D的组件模型，并将它们放置在原理(lǐ)图上。

图2. Altium Designer中的制造商(shāng)零件搜索面板。

第二步-推论被动

筛选

我无需提及我们将需要本地旁路電(diàn)容器，对吗？

此外，在CANH和CANL線(xiàn)上有(yǒu)一些通常為(wèi)40pF至100pF的额外小(xiǎo)容量電(diàn)容器，这些電(diàn)容器接地也可(kě)以帮助吸收ESD能(néng)量并改善EMI弹性。与往常一样，总線(xiàn)電(diàn)容的增加会降低总線(xiàn)速度，增加收发器输出级的负载，并增加功耗。

终止

CAN总線(xiàn)的两端应使用(yòng)120欧姆的電(diàn)阻器端接。当然，我们可(kě)以正确地计算瓦数（标准功率為(wèi)1 / 4W，如果偏执则為(wèi)1 / 2W），放置可(kě)爱的小(xiǎo)電(diàn)阻器，然后将其称為(wèi)一天。但是，為(wèi)什么要使事情变得简单呢(ne)？

到目前為(wèi)止，我所见过的几乎所有(yǒu)经过行业验证的CAN总線(xiàn)板上都采用(yòng)了一种更复杂的技术，即分(fēn)接端接。

在分(fēn)接终端中，两个60欧姆的電(diàn)阻器串联使用(yòng)，总计120欧姆。两个電(diàn)阻之间的電(diàn)节点通过一个電(diàn)容（通常為(wèi)4.7nF）接地。 

已经计算出電(diàn)容器的值，以便在网络的基频处获得-3db的截止频率。

就我而言，网络的波特率应為(wèi)1mbit / s。假设最坏的情况是，当网络正在传输一系列交替的比特（01010101）时，信号将是频率為(wèi)500kHz或等于波特率一半的方波。

我们知道電(diàn)阻為(wèi)60欧姆，因此可(kě)以计算出電(diàn)容器。

如果我们必须近似電(diàn)容器的值，则稍小(xiǎo)一点的電(diàn)容器将对我们的宝贵信号产生较小(xiǎo)的干扰。因此，最广泛采用(yòng)的值為(wèi)4.7nF。

如果您需要一个无源组件库，我会全力推荐Mark Harris的Celestial库。它是免费，广泛且精心策划的。

TVS

如果您的系统不受严重的ESD干扰，则收发器IC中包含的保护可(kě)能(néng)就是所需的一切。

由于瞬态電(diàn)压抑制器的等效并联電(diàn)容较低，因此它们是常见的选择。

其他(tā)过压保护设备（例如MOV）通常具有(yǒu)较高的寄生電(diàn)容，这会限制总線(xiàn)数据速率，尤其是对于具有(yǒu)许多(duō)节点的总線(xiàn)。

市场上有(yǒu)几种专门為(wèi)CAN总線(xiàn)设计的TVS二极管，例如，安森美半导體(tǐ)（ON Semiconductor）的NUP2105L，我决定在此设计中采用(yòng)。

对于收发器，我可(kě)以使用(yòng)“制造商(shāng)零件搜索”面板从Altium 365库中单击一下来放置模型，而不必绘制原理(lǐ)图符号和封装。

图3.使用(yòng)制造商(shāng)零件搜索面板放置NUP2105L TVS二极管。

第三步-设计PCB

保持紧绷（与本文(wén)不同）

如果您的電(diàn)路没有(yǒu)保护，则所有(yǒu)EMI電(diàn)流都会从连接器直接流入收发器，然后再通过接地层流回。这就是電(diàn)流要执行的操作，因為(wèi)这是阻抗最小(xiǎo)的路径。

您所有(yǒu)的保护组件都应尽可(kě)能(néng)靠近该路径，以免增加环路面积。此外，所有(yǒu)保护措施都应尽可(kě)能(néng)靠近连接器和電(diàn)路板的边缘，以防止噪声耦合到電(diàn)路的其余部分(fēn)。

自然，不可(kě)能(néng)将所有(yǒu)内容都直接插入连接器，因此我们必须确定优先级。一般的经验法则是将必须应对“最恶劣” EMI犯罪者的组件放在第一位。

在我们的情况下，TVS二极管必须处理(lǐ)高速大電(diàn)流事件。由于快速脉冲中含有(yǒu)丰富的高频成分(fēn)，因此如果不加检查就可(kě)以漫游到我们的電(diàn)路板上，则它们将与所有(yǒu)可(kě)用(yòng)的迹線(xiàn)耦合并中断操作。

因此，TVS排在第一位。

如果中间没有(yǒu)终端電(diàn)阻，则共模扼流圈将排在第二位。

图4.路由示例。

在我们的示例PCB中，仍有(yǒu)改进的空间。TVS二极管可(kě)以旋转180度，以进一步减小(xiǎo)ESD环路面积。電(diàn)容器C5和C6也可(kě)以旋转180度，并向右移一点。

使用(yòng)飞机

每个PCB布局指南都在其中写有(yǒu)“此接地平面”或“该接地平面”，如果您想要使EMI遠(yuǎn)离電(diàn)路板的柔软腹部，就无法逃避。

使用(yòng)地平面。

您要钳制到地面的任何信号的下方都必须有(yǒu)一个接地层，以使阻抗最小(xiǎo)的路径尽可(kě)能(néng)短。TVS二极管应将脉冲直接放電(diàn)到接地层，并通过低電(diàn)感连接到電(diàn)缆屏蔽层（如果有(yǒu)）。

通过技术使用(yòng)低阻抗

如果将我们辛苦赚来的便士全部花(huā)费在電(diàn)容器上，如果它们的作用(yòng)将被接地走線(xiàn)的電(diàn)感抵消，那将是没有(yǒu)多(duō)大意义的。

图5.低電(diàn)感和高電(diàn)感通孔设计示例。返回路径為(wèi)红色。

在这种设计中，我在焊盘的郊區(qū)使用(yòng)了过孔。与焊盘中的通孔技术不同，它在PCB的制造中不需要额外的步骤，因此不会增加成本。通孔必须固定；否则，锡膏会流入内部，并且焊盘将无法充分(fēn)润湿。

您可(kě)以在此处通过属性找到有(yǒu)关Altium Designer的文(wén)档。

图6.低電(diàn)感通孔设计的详细视图。

第五步-分(fēn)享（毫不留情的销售策略）

假设我们现在已经花(huā)了数小(xiǎo)时阅读可(kě)疑人物(wù)撰写的文(wén)章，研究收发器，测试和验证我们完善的CAN总線(xiàn)子電(diàn)路。怎么办？

您可(kě)以与整个组织共享原理(lǐ)图图纸，而这只需要几秒(miǎo)钟。

第一步是在一个原理(lǐ)图文(wén)档中设计電(diàn)路，使用(yòng)端口作為(wèi)输入和输出，这与分(fēn)层设计类似。

图7.带有(yǒu)输入和输出端口的完整電(diàn)路。

使用(yòng)资源管理(lǐ)器面板，创建一个新(xīn)的“ Managed Schematic Sheets”文(wén)件夹。

图8. Explorer面板内的Add folder窗口。

创建文(wén)件夹后，组织内的所有(yǒu)用(yòng)户都可(kě)以访问该文(wén)件夹，您可(kě)以继续上载原理(lǐ)图图纸。

图9.资源管理(lǐ)器面板，其中包含新(xīn)添加的托管原理(lǐ)图。

现在，您可(kě)以将托管原理(lǐ)图图纸放置在任何项目中。

图10.放置托管原理(lǐ)图图纸命令。

您的新(xīn)托管原理(lǐ)图表将以“重用(yòng)”绿色符号區(qū)分(fēn)。

图11.放置在SchDoc上的托管原理(lǐ)图。

如果您想知道為(wèi)什么所有(yǒu)内容都是蓝色而不是黄色和红色，请查看我之前有(yǒu)关设计样式的文(wén)章。

技巧和窍门

為(wèi)存根添加额外的端接

可(kě)选的“弱”端接，例如1.3Kohm，可(kě)以帮助提高短截距的节点的EMI弹性。但是，相同的電(diàn)阻会增加网络负载，减少节点数量，降低总線(xiàn)的最终标称阻抗并降低最大速度。

越多(duō)越好。或不？

如果您不受成本限制，并且输入保护对您至关重要，则应考虑添加第二轮保护：

MOV（金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻）或GDT（气體(tǐ)放電(diàn)管）“吸收”了比TVS可(kě)以处理(lǐ)的能(néng)量更高的能(néng)量。
在MOV / GDT和收发信机，诸如高脉冲電(diàn)阻器，变阻器，或TBU之间的一些限流装置®（由Bourns出售的花(huā)式半导體(tǐ)变阻器）。

但是，如果您始终牢记，这些设备可(kě)能(néng)会增加等效总線(xiàn)電(diàn)容并降低数据速率并增加電(diàn)流消耗，这将有(yǒu)所帮助。

共模扼流圈很(hěn)棒，但很(hěn)危险

标准模式扼流圈是CAN-Bus上最常用(yòng)的滤波器类型，虽然效果很(hěn)好，但是您应该考虑一些缺点。

共模扼流圈会与CAN总線(xiàn)总線(xiàn)的寄生電(diàn)容产生谐振，从而导致在某些特定频段内噪声增大。由于很(hěn)少精确指定共模扼流圈中的電(diàn)感，并且寄生電(diàn)容会随電(diàn)缆長(cháng)度而变化很(hěn)大，因此这种影响会使CAN总線(xiàn)设备的EMI特性无法预测。如果使用(yòng)非屏蔽電(diàn)缆，则電(diàn)容会根据電(diàn)缆与接地金属表面的接近程度而变化。

众所周知，共模電(diàn)感在共模下的作用(yòng)类似于電(diàn)感。咄。某些故障情况（例如電(diàn)源或接地短路）会导致高瞬态共模電(diàn)流。在某些情况下，由共模扼流圈的電(diàn)感产生的过压会损坏CAN总線(xiàn)收发器。这些过電(diàn)压很(hěn)难调试，因為(wèi)它们是在过電(diàn)压保护之后产生的，该保护通常位于電(diàn)路板的边缘。

扼流圈的第三个缺点是……它们可(kě)能(néng)很(hěn)昂贵。高速差分(fēn)信号需要非常低的電(diàn)流泄漏。

一些IC制造商(shāng)，尤其是德州仪器（TI），正在推动用(yòng)于“无扼流” CAN总線(xiàn)网络的隔离且具有(yǒu)高EMI容限的设备。

我非常喜欢它们，因此我决定使用(yòng)专為(wèi)CAN总線(xiàn)应用(yòng)设计的共模扼流圈。