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CAN總線到底要不要加共模電感?

發(fā)布時(shí)間:2018-08-16 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(shí)際并非所有應(yīng)用都需要,過多防護(hù)不僅增加成本,而且器件的寄生參數(shù)必然影響信號(hào)質(zhì)量。本文將簡(jiǎn)單介紹共模電感用于總線的作用。

在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(shí)際并非所有應(yīng)用都需要,過多防護(hù)不僅增加成本,而且器件的寄生參數(shù)必然影響信號(hào)質(zhì)量。本文將簡(jiǎn)單介紹共模電感用于總線的作用。
 
我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中看到許多CAN產(chǎn)品會(huì)使用共模電感,但在常規(guī)測(cè)試中卻看不到它對(duì)哪一項(xiàng)指標(biāo)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??煽浚瑫?huì)對(duì)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?cè)趹?yīng)用中可根據(jù)設(shè)計(jì)要求逐個(gè)增加防護(hù)、濾波等外圍。對(duì)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(dòng)器及接收器為差分信號(hào)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(shí)產(chǎn)生,其電勢(shì)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(gè)磁環(huán)的上下兩個(gè)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(duì)于差模信號(hào)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(duì)差模信號(hào)有略微影響。共模電感本質(zhì)上是一個(gè)雙向?yàn)V波器,一方面濾除信號(hào)線上的共模信號(hào)干擾,另一方面抑制信號(hào)線本身不向外發(fā)出電磁干擾。圖 2中的干擾信號(hào)則能很好地被共模電感抑制,而差分信號(hào)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(dòng)電路如圖 3所示。這種方式可以使總線輕松實(shí)現(xiàn)顯性電平的驅(qū)動(dòng),而隱性電平則通過終端電阻放電來實(shí)現(xiàn)。
 
 
圖 3  CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路
 
總線固有的差分傳輸形式使得CAN對(duì)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(duì)稱,快速上升的跳變沿,這些均會(huì)帶來EMC問題。我們通過示波器看總線波形很完美,測(cè)試靜電,EFT,浪涌,傳導(dǎo)騷擾抗擾均無異常。但測(cè)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(shí)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(duì)于CAN接口的EMC問題,除了選用更好性能,符號(hào)要求的CAN收發(fā)芯片,另一種簡(jiǎn)單的方法就是對(duì)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(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)傳導(dǎo)騷擾限值有很嚴(yán)格要求。許多CAN收發(fā)器均會(huì)超過限值。如圖 5分別為按照車規(guī)限制測(cè)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(gè)頻段下對(duì)噪聲改善較為明顯,測(cè)試結(jié)果仍有很大裕量。
 

 
圖 5  傳導(dǎo)騷擾測(cè)試
 
共模電感對(duì)降低傳導(dǎo)騷擾有明顯作用,可幫助我們快速通過測(cè)試要求,滿足現(xiàn)有汽車用要求,但總線增加共模電感也會(huì)帶來兩個(gè)問題:諧振和瞬態(tài)電壓。共模電感不可避免地會(huì)有寄生電感,直流電阻,考慮總線節(jié)點(diǎn)數(shù),通信距離等因素,會(huì)引起諧振,影響總線信號(hào)質(zhì)量,如圖 6,綠色波形為增加共模電感的總線波形,信號(hào)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(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)短路,熱插拔等狀態(tài)會(huì)使共模電感兩端產(chǎn)生瞬態(tài)高壓,嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(diǎn)較為明顯,它可以濾除信號(hào)線的共模電磁干擾,衰減差分信號(hào)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(zhǎng)距離,多節(jié)點(diǎn)通訊中對(duì)總線信號(hào)質(zhì)量是不利的,對(duì)于一般工業(yè)應(yīng)用對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射并無嚴(yán)格要求,因此可不增加共模電感。
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圖7  CTM1051(A)HP的EMC性能
 
圖8  應(yīng)用原理圖


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