CAN芯片选择与外围电路设计要点
CAN芯片选择与外围电路设计要点
CAN（控制器局域网络）技术在汽车电子和工业控制等领域广泛应用，其芯片选择和外围电路设计直接关系到系统的可靠性和稳定性。本文将从数据速率、电源电压等关键参数出发，详细介绍CAN芯片的选择要点，并深入探讨共模电感、终端电阻、总线电容和ESD保护等外围电路的设计方法，帮助工程师和技术人员优化CAN总线系统的性能。
CAN，即控制器局域网络（Controller Area Network），由德国BOSCH公司率先提出并演变为国际标准（ISO 11898），如今已成为全球范围内应用最为广泛的现场总线技术之一。那么，在面对琳琅满目的CAN芯片市场时，我们该如何做出明智的选择呢？
1、数据速率：
数据速率是指单位时间内，通信线路上传输的二进制位数。在选取时，需依据具体应用场景来定。例如，高速CAN收发器的数据传输速率能达到5Mbps，而CAN FD技术则更进一步，其最高速率可达8Mbps。相较之下，传统的CAN技术最高速率仅为1Mbps。
2、电源电压考量：
在选用CAN收发器时，必须关注其电源电压范围，以保证它与实际的供电系统能够完美兼容。
3、共模电压：
在CAN通信协议中，共模电压是一个核心参数，它主要关联着显性信号与隐性信号的差异化的电压需求。这一指标对通信的稳健性和可靠性产生直接影响。
汽车应用中的EMC问题日益受到重视，尤其在新能源汽车领域，这一问题显得尤为突出。因此，对总线接口芯片的EMC性能提出了更为严苛的要求。为了确保良好的EMC表现，不仅需要在芯片选择上做出明智的决策，更需精心设计外围电路。接下来，我们将深入探讨CAN芯片外围电路的一些参考设计方案。
1、共模电感：
共模电感具有独特性质，它对共模信号展现出高阻抗，而对差模信号则呈现低阻抗，因此能有效抑制共模噪声干扰。
- 电感值的选取
在抑制总线共模噪声方面，电感值的选取至关重要。我们希望在CAN总线的共模噪声频率处，共模电感能展现出尽可能高的电感值，从而在高阻抗下有效抑制共模噪声的传播。若电感值过小，对共模噪声的抑制效果将不理想；而电感值过大又会受到尺寸和成本的限制。因此，针对500kbps的CAN通信，推荐选用51uH电感值的共模电感；而对于2Mbps的CAN FD通讯，则可选择100uH电感值的共模电感。
- 直流电阻的选择
选择共模电感时，直流电阻是一个需要考虑的重要因素。由于直流电阻越大，总线信号的损耗也会相应增大，进而导致传输效率的降低。因此，在确定电感值后，应优先选择直流电阻尽可能小的共模电感，以确保高效的信号传输。
2、终端分立电阻
根据ISO11898标准，互连线应采用单双绞线（屏蔽或非屏蔽），并具备120 Ω的特性阻抗（ZO）。为防止信号反射，需在电缆两端接入等于线路特性阻抗的电阻进行终止。此外，连接节点到总线末端的接线应尽可能短，以减小信号反射。
通常，每个总线端都会配备一个120 Ω的终端电阻。若需对母线的共模电压进行滤波和稳定，可采用分路端接方式。这种方式通过拆分使用两个60Ω电阻器，并在其中间接入一个对地电容来实现。它能够消除消息传输开始和结束时总线共模电压的波动，从而改善网络的电磁发射特性。
（左图）标准终端分立电阻
（右图）分离终端分立电阻
在总线系统中，为确保信号的稳定传输并防止反射，终端分立电阻的配置至关重要。标准终端采用单一120Ω电阻进行终止，而分离终端则通过拆分使用两个60Ω电阻器，并在其间加入对地电容，以实现对共模电压的滤波和稳定。这种分路端接方式能有效消除消息传输过程中总线共模电压的波动，进而优化网络的电磁发射性能。
3、总线电容
除了采用共模电感和分立终端匹配电阻来提升CAN总线的电磁兼容性（EMC）外，在CANH和CANL上分别加入对地电容也是一种有效手段。这些电容能够滤除总线上的高频噪声，从而在一定程度上增强CAN总线的EMC性能。然而，对地电容的选择需要权衡多种因素。电容值过大可能导致总线信号衰减、上升和下降时间延长，进而缩短bit时间，干扰总线通信。同时，由对地电容与信号源阻抗构成的RC低通滤波器的截止频率必须高于CAN总线的通信速率，以确保正常通信。因此，在选择对地电容时，需要综合考虑总线长度、节点数量、数据速率等因素。通常，对于2Mbps的CAN FD通信，总线对地电容建议不超过100pF。
4、ESD保护二极管
在汽车或工业应用中，许多系统都存在外部连接接口。这些接口在安装或维护时可能会积累过量电荷，通过接口线缆流入模块。这些放电能量有时高达几十千伏，可能导致接口芯片受损，进而影响整个系统的运行。因此，保护接口收发器免受ESD（静电放电）的影响显得尤为重要。虽然CAN收发器芯片内部配备了ESD保护电路，但其防护能力在总线端可能不足以应对某些环境下的ESD冲击。为此，我们通常需要借助外部ESD保护二极管来增强系统的防护能力。TVS二极管具有较大的结电容，适用于低速CAN总线；而ESD静电保护器件的结电容较小，更适宜高速CAN总线。
接下来，我们将深入探讨CAN总线应用中可能遇到的问题及其解决方法。
1、CAN总线节点硬件错误问题
在CAN总线上，数据采用不归零编码方式，显性和隐性同时传送。当总线上的结果值为显性时，意味着数据正在被传送。然而，如果某个CAN节点出现硬件或软件错误，导致其TXD引脚持续处于低电平，那么总线电平将一直保持在显性状态，进而影响所有节点的正常通信，甚至可能导致总线瘫痪。
为了解决这个问题，我们可以采用带TXD显性超时保护功能的CAN收发器。这种收发器在TXD引脚显性时间超过允许的最大值后，会自动禁能发送器，并将其输出设置为隐性状态，从而确保总线的正常通信不受影响。此外，收发器的下一个显性输出只有在释放了TXD后才能产生，进一步增强了总线的鲁棒性。
推荐使用的带TXD显性超时保护功能的CAN芯片包括SIT1050T、SIT1040T、HMT1040T和HMT1050T等。这些芯片可以有效防止出错的CAN控制器通过发送持续的显性TXD信号将总线箝位在显性电平，从而确保总线通信的稳定性和可靠性。
2、低波特率通信正常，高波特率无法通信。
当控制器在低波特率下通信正常，但提高通信速率后却无法通信时，这通常是由于终端电阻未匹配所引起的。为了解决这一问题，需要确保匹配适当的终端电阻。
3、总线电容过大引发的通信问题。
CAN节点与CAN线束的电容对整网电容有着显著影响。过大的电容会导致信号下降沿变得平缓，进而影响接收节点的位采样准确性，最终可能产生错误帧。
- 仔细检查CAN总线上是否存在外加电容过大或保护器件（如TVS）的寄生电容问题。若存在，应适当移除或减小这些电容，以降低总网电容。建议将单个CAN节点的电容控制在40pF至100pF的范围内，以确保信号的准确性。
- 尝试降低工作波特率。波特率的降低会相应延长每位数据的传输时间，从而在一定程度上减小电容的影响。但请注意，若电容过大，单纯降低波特率可能无法完全解决问题。