【導讀】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，確保可靠，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，傳導騷擾抗擾均無異常。但測試傳導發(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 傳導騷擾測試
共模電感對降低傳導騷擾有明顯作用，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
