【導(dǎo)讀】在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，我們通常為了總線(xiàn)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(guò)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(xiàn)的作用。
在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，我們通常為了總線(xiàn)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(guò)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(xiàn)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(wàn)一，確保可靠，會(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(xiàn)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(lèi)似CAN總線(xiàn)。差模干擾產(chǎn)生于兩條傳輸線(xiàn)之間，共模干擾則在兩條線(xiàn)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(xiàn)圈。共模干擾是相同的，所以在磁環(huán)中形成的磁力線(xiàn)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(xiàn)是相互抵消的，并沒(méi)有抑制作用，僅有線(xiàn)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(xiàn)上的共模信號(hào)干擾，另一方面抑制信號(hào)線(xiàn)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(wú)影響。
2、CAN總線(xiàn)特性
CAN收發(fā)器內(nèi)部CANH、CANL分別為開(kāi)源，開(kāi)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(xiàn)輕松實(shí)現(xiàn)顯性電平的驅(qū)動(dòng)，而隱性電平則通過(guò)終端電阻放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖 3 CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路
總線(xiàn)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(guò)CANH、CANL相減可很好地消除來(lái)自外部的共模干擾，但CANH、CANL并非理想對(duì)稱(chēng)，快速上升的跳變沿，這些均會(huì)帶來(lái)EMC問(wèn)題。我們通過(guò)示波器看總線(xiàn)波形很完美，測(cè)試靜電，EFT，浪涌，傳導(dǎo)騷擾抗擾均無(wú)異常。但測(cè)試傳導(dǎo)發(fā)射，則不能滿(mǎn)足限值要求，看起來(lái)很正常的總線(xiàn)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(wèn)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(chē)電子CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)傳導(dǎo)騷擾限值有很?chē)?yán)格要求。許多CAN收發(fā)器均會(huì)超過(guò)限值。如圖 5分別為按照車(chē)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(guò)測(cè)試要求，滿(mǎn)足現(xiàn)有汽車(chē)用要求，但總線(xiàn)增加共模電感也會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)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(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)，通信距離等因素，會(huì)引起諧振，影響總線(xiàn)信號(hào)質(zhì)量，如圖 6，綠色波形為增加共模電感的總線(xiàn)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(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，它可以濾除信號(hào)線(xiàn)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(lái)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(xiàn)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(wú)嚴(yán)格要求，因此可不增加共模電感。
ZLG致遠(yuǎn)電子基于多年的總線(xiàn)防護(hù)設(shè)計(jì)積累推出了高防護(hù)等級(jí)隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國(guó)際ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，靜電防護(hù)等級(jí)可達(dá)接觸±8kV，空氣放電±15kV，浪涌防護(hù)可達(dá)±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(chǎng)環(huán)境。應(yīng)用簡(jiǎn)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
