用無扼流圈收發器簡化CAN總線實現方式

2020-11-25 電子產品世界

由於汽車內電子元器件的密度在逐年增加，我們需要確保車內網絡在電磁兼容性(EMC) 方面保持高性能。這樣的話，當不同子系統被集成在一個較大解決方案中，並且在常見(嘈雜)環境中運行時，這些子系統能夠正常運轉。雖然有很多不同的車內網絡互連標準，並且汽車原始設備製造商 (OEM) 對於EMC也有多種不同的要求，這篇文章主要討論一個已經被證明具有特別挑戰性的話題：一個控制器區域網 (CAN) 總線的射頻 (RF) 放射。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/303415.htm

CAN使用均衡的差分信令來發送波特率,高達1Mbps(或者更高，前提是使用「靈活數據速率」變量)的二進位數據。理想情況下，差分信令的使用避免了所有外部噪聲耦合。由於每一半差分對(被稱為CANH和CANL)在變化時是對稱的，它們的噪聲帶來的幹擾是具有破壞性的。然而，沒有CAN收發器是完全理想的，並且CANH和CANL信號之間的低值不對稱會產生未經完全均衡的差分信號。當這一情況發生時，CAN信號的共模分量(CANH和 CANL的平均值)將不再是一個恆定的DC值。相反地，它將表現出與數據有關的噪聲。

兩個主要的不均衡類型會導致這個噪聲。其中一個就是顯性(被驅動)和隱性(高阻抗)狀態期間穩定狀態共模電壓電平之間的不匹配。

這個穩定狀態不匹配會導致一個類似於CAN數據本身縮放版本的噪聲圖形。這個噪聲圖形在它的頻譜內很寬，表現為一系列延伸至極低頻率且間隔均勻的離散頻譜線。定時不匹配會導致一個由短脈衝或幹擾組成的噪聲圖形，只要數據中有邊緣變換，它就會出現。這個噪聲圖形的頻譜含量往往集中比較高的頻率上。

圖1中的波形顯示了一個可以在典型CAN收發器的輸出上觀察到的共模噪聲。在這幅圖像中，黑色軌跡線(通道1)顯示CANH，紫色軌跡線(通道 2)顯示的是CANL，並且綠色軌跡線(數據功能)是CANH與CANL的和。這個求和的過程給出了一個波形，它的值等於此時一個指定點上共模電壓的2 倍。

圖1：典型CAN收發器CANH/CANL輸出和共模噪聲

共模波形顯示出兩種噪聲類型：與顯性至隱性/隱性至顯性變換相對應的高頻噪聲，而低頻噪聲是與不匹配的顯性和隱性共模相對應的。

由於信號的共模部分能夠與系統(或與外部系統)中的其它分量耦合在一起(通過輻射或傳導路徑)，這個共模噪聲直接影響放射性能。這個器件的傳導放射按照工業電氣工程/電子 (IBEE) 茨維考技術的工程服務進行測量;如圖2中所示，這個器件的傳導放射連同一個普通汽車原始設備製造商(OEM)限值線一同繪製。

圖2：一個典型CAN收發器的傳導放射

這個收發器的輸出放射超過了低頻和高頻區域內的OEM要求。為了把放射降低到令人滿意的水平，必須使用某些外部濾波。

CAN總線中最常用的濾波器組件就是共模扼流圈(如圖3中所示)。共模扼流圈的構成方式是將兩個線圈繞在同一個鐵芯上。在每個線圈繞組方向的安排方面，要使得共模電流(也就是說，每個線圈內的電流方向一致)具有共用同一極性的磁通量。這使得共模扼流圈可以運行為針對共模信號的電感器，從而提供一個隨上升的頻率而增加的阻抗。相反地，差分模式電流(也就是說，每個線圈內的電流方向相反)將使它們的磁通量與反向極性相互作用。對於諸如CAN信號的均衡波形，每個線圈內相反磁通量的幅度將會相等，因此不會在鐵芯內累積靜磁通。這使得扼流圈運行為一個針對CAN信號的短接電路。

圖3：共模扼流圈電路原理圖

這項技術在減少CAN總線放射方面十分有效。例如，當用一個51µH共模扼流圈對上面不能滿足放射要求的器件進行重新測試時，性能得到極大提升(圖4)。

圖4：典型CAN收發器(具有共模扼流圈)的傳導放射

然而，在添加共模扼流圈時會帶來一些缺點。使用共模扼流圈時的一個明顯劣勢就是印刷電路板上需要額外的空間，並且會產生多餘的物料清單成本。不過，除此之外，還應該考慮某些對CAN總線的細微影響。由於扼流圈線圈會引入某些串聯電感，當這個電感與CAN網絡的寄生電容組合在一起時會生成諧振。儘管在大多數頻帶內減少了共模噪聲，這些諧振會在諧振頻率上導致噪聲數量增加。可以在圖5中所示的共模噪聲波形中觀察到這個影響。

圖5：由扼流圈電感導致的共模噪聲

這個窄帶噪聲特別難管理。它的幅度往往很強，並且，由於扼流圈電感和總線電容的變化，其頻率也會隨著系統的不同而發生變化。需要注意的是，一個共模扼流圈的電感值通常在較寬的公差範圍內指定(比如說標稱值的-30%到50%)。相似地，一個CAN網絡的總線電容將根據所使用電纜連接的類型和長度、網絡中的節點數量和每個節點的設計而發生變化。

共模扼流圈的另外一個意外結果就是總線上增高的大瞬態電壓風險。諸如到電源、電池電壓或系統接地的短接等故障情況會導致共模電流的突然變化。這會在短路連接/斷開，以及CAN驅動在顯性和隱性狀態之間變換時出現。當流經扼流圈電感的電流快速變化時，會在驅動器IC的CAN端子上產生一個較大的電壓電位。在某些情況下，這個電壓有可能超過CAN器件的瞬態過壓處理能力，並且會導致永久損壞。

為了在避免與共模扼流圈有關的不利影響的同時減少放射，可使用一個替代解決方案：減少CAN驅動器的共模噪聲輸出。這看起來似乎簡單而又直接，但是這需要半導體廠商進行仔細而又認真的設計。隱性和顯性狀態期間的CANH和CANL電壓電平需要受到嚴格控制，以確保CAN總線波形儘可能地保持平衡。


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