CAN总线：设计CAN总线电路

本文是由三部分组成的CAN总线介绍系列的一部分：

• 第1部分：非正式介绍

• 第2部分：协议

• 第3部分：设计CAN总线电路

CAN总线节点中有三个主要部件：

1. 微处理器

2. CAN总线控制器

3. CAN总线收发器

CAN总线控制器实现网络协议ISO 11898–1的所有低级功能，同时收发器与物理层通信。不同的物理层需要不同的收发器，如高速can、低速容错can、高速可变数据速率can。

在一个典型的实现中，CAN总线控制器和微处理器被统一成一个启用CAN的微控制器。市面上有带SPI接口的外部CAN总线控制器，主要由微芯片制造，但它们往往会增加不必要的成本和复杂性。

在本文中，我们将研究从收发器到can总线连接器的电路设计。是时候把我们的手弄脏，设计我们的CAN总线电路！

所有的CAN总线收发器的工作原理类似，因为它们位于实现CAN总线控制器的微控制器（或FPGA）和CAN总线本身之间。不过，还是有一些不同之处，你应该仔细考虑。

快速搜索合适的八角分类揭示了CAN总线收发器的主要制造商按提供的集成电路数量降序排列为NXP半导体、微晶片、德州仪器、Maxim Integrated、模拟器件和ST微电子。

所有这些收发器看起来都很相似，但它们的特性和性能却各不相同。

市场上第一个CAN总线收发器包括很少的ESD（静电放电）事件保护。它们要求所有的I/O保护都要用外部组件来实现。

幸运的是，现在不是这样了。以下是一些随机IC及其总线引脚上的HBU（人体模型）ESD公差：

更高的ESD容限可以让您节省外部保护，但您应该知道，在高质量的TVS二极管上多花几分钱可以显著提高可靠性。

如果您的应用程序受空间限制，并且不必处理太多的ESD，那么一体式就是最好的选择。在我的例子中，我买了一台外置电视和一台更便宜的收发机。

市面上大多数收发器的工作电压为5V，但为3.3V设计的集成电路也极受欢迎。如果不反复使用dc-dc转换器，就不可能降低电源电压。一些集成电路，如Maxim Integrated的MAX14883E，包括一个逻辑电平的电源输入，使得与1.8V设备的互操作性与收发器的电源无关。

图1.MAX14883E简化框图，由Maxim Integrated提供

在我的例子中，我的MCU工作在3.3V，所以我也会选择它作为CAN总线收发器。

所有高速CAN总线收发器可在小型网络上运行高达1Mbps。CAN-FD收发器的工作速度最高可达5Mbps，但其中许多收发器的速度仅限于2Mbps等较低的速度。

最终的系统数据速率将受到总线电容、CAN总线标识符的分配以及正在传输的CAN帧类型的限制。最坏情况下，有效波特率通常是最大值的三分之一。

出于安全要求，可能需要隔离的CAN总线收发器。例如，引入电流隔离可以保护电路的低压部分，以防母线接触到危险电压。同样的隔离也可以通过打破接地回路和允许节点之间的地电位有更大的差异来改善通信。

当然，隔离的CAN总线收发器将需要类似的隔离电源。

许多收发器包括一个模式选择输入，可用于降低IC的功耗和关闭****。通常，接收器保持活动状态，RXD引脚可用于触发微控制器中的唤醒中断。

当模式选择输入通过一个至少几个千欧的电阻拉高或低时，它有时会加倍作为斜率控制。降低信号斜率，虽然它可以限制带宽，但允许收发机限制其产生的电磁干扰量。

所有符合ISO 11898–2标准的收发器必须能够承受CANH和CANL上-3V到32V之间的直流电压而不会断开，能够承受-150V到100V的瞬态，并且能够在-2V和7V之间的共模总线电压下工作。

事实上，市场上所有的集成电路都超过了这些要求，一场关于谁能在后台展示最重要数字的非正式竞赛正在进行。

以下是几个例子：

现在，50V以上的电压是标准的，因为许多车辆都采用48V工作的混合动力系统，收发器应该能够承受对系统高压供电轨短路的总线。

对于网络上可以容纳多少节点没有硬性规定，但最关键的参数之一是收发器上CANH和CANL之间的输入阻抗。

高输入阻抗将对总线产生边际影响，并使节点数目增加。

一些收发器实现了广泛的保护功能，例如：

• 例如，由于一个主要的驱动程序的输出时间太长而导致软件失效。

• 热关机

• 欠压锁定：设备在欠压状态下被禁用。

• 隐性功率不足状态：当没有正确供电时，设备不会以任何方式驱动总线。

• 限流：对正或负电源电压短路时的保护。

大多数CAN总线收发器包括一种只收模式，它将TXD反馈给RXD，而不需要实际驱动总线。此功能通常用于自动确定总线波特率。

在我的设计中，我选择了TJA1051，主要是因为我很便宜，而且它是市场上最实惠的集成电路之一。可以找到产品页面在这里 .

使用“Manufacturer Part Search”面板，我立即找到了组件模型，包括footprint和3D，并将它们放置在原理图上。模型自动从 Altium 365型 ®的云库

图2.Altium Designer内部的制造商部件搜索面板。

我不需要说我们需要本地旁路电容器，是吗？

此外，在CANH和CANL线路上连接到地面的一些特别小值电容器通常为40到100pF，可以帮助吸收ESD能量并提高EMI弹性。一如既往，随着总线电容的增加，总线速度降低，收发器输出级的负载增加，功耗增加。

CAN总线的两端应使用120R的电阻器进行端接。当然，我们可以正确计算瓦特数（标准值为1/4W，如果我们是偏执狂，则为1/2W），放置我们可爱的小电阻，然后结束工作。但为什么要把事情简单化呢？

迄今为止，我所见过的几乎所有经过行业验证的CAN总线板都采用了一种更为复杂的技术，即分体式终端。

在分裂终端，两个60欧姆电阻串联使用，总计120欧姆。两个电阻器之间的电气节点通过电容器（通常为4.7nF）接地。

计算了电容值，得到了网络基频处的截止频率为-3db。

在我的例子中，网络的波特率应该是1mbit/s。假设最坏情况下，当网络传输一系列交替位（01010101）时，信号将是频率为500kHz的方波，或等于波特率的一半。

我们知道60欧姆时的电阻，我们就可以计算出电容器。

如果我们必须近似电容值，一个稍微小一点的电容器对我们宝贵的信号的干扰就会小一些。因此，4.7nF，这是最广泛采用的值。

如果你需要一个被动元件库，我衷心推荐马克·哈里斯的天体图书馆。它是广泛的，精心策划的。

如果您的系统没有受到严重的静电放电，收发机集成电路中包含的保护可能是一切所需的。

瞬态电压抑制器（TVS）二极管由于其等效并联电容较低而成为一种常用的选择。

其他过电压保护装置，如mov，通常具有很高的寄生电容，可以限制总线数据传输速率，尤其是对于具有多个节点的总线。

市面上有几种专门为CAN总线设计的TVS二极管，例如，NUP2105L，我决定在本次设计中采用这种二极管。

至于收发器，我使用制造商部件搜索面板，只需单击Altium365库中的一个按钮，就可以放置模型，而不必绘制示意图符号和示意图。

图3.使用制造商零件搜索面板放置NUP2105L TVS二极管。

如果你的电路没有保护，所有的电磁干扰电流都会从你的连接器直接进入你的收发器，然后通过接地层返回。这就是电流想要做的，因为这是阻抗最小的路径。

所有保护组件应尽可能靠近该路径，以避免增加回路面积。此外，所有保护应尽可能靠近连接器和电路板边缘，以防止噪声耦合到其余电路中。

当然，不可能把所有的东西都塞进连接器附近，所以我们必须优先考虑。一般的经验法则是首先放置必须处理“最坏”EMI违规者的组件。

在我们的例子中，TVS二极管必须处理高速大电流事件。由于快速脉冲含有丰富的高频分量，如果不加控制地漫游到我们的电路板中，它们将与所有可用的跟踪信号耦合并中断操作。

所以TVS是第一位的，如果中间没有端接电阻，共模扼流圈会排在第二位。

图4.路由示例

在我们的PCB示例中，仍有改进的余地。TVS二极管可旋转180度，进一步减小ESD回路面积。电容器C5和C6也可以旋转180度，向右移动一点点。

每一个印刷电路板布局指南都写有“接地平面这个”或“接地平面那个”，如果你想让电磁干扰远离你的电路板柔软的腹部，那是无法逃避的。

在任何信号的正下方都必须有一个接地平面，以使阻抗最小的路径尽可能短。你的TVS二极管应该将脉冲直接放电到接地层，通过低电感连接连接到电缆屏蔽层（如果有的话）。

如果电容器的效应将被接地轨迹的电感抵消，那么把我们辛苦挣来的钱都花在电容器上是没有意义的。

图5.低电感和高电感通孔设计示例。红色的返回路径。

在这个设计中，我在焊盘的外围使用过孔。与焊盘通孔技术不同，它不需要额外的步骤来制造PCB，因此不会增加成本。过孔必须盖油，否则，焊膏会在内部流动，焊盘不会充分润湿。

您可以通过属性找到有关Altium Designer的文档在这里 .

低电感详细设计图6

假设我们现在花了几个小时阅读可疑人物写的文章，研究收发器，测试和验证我们完美的CAN总线子电路。现在呢？

使用 Altium Concord Pro™，您可以与整个组织共享原理图工作表，只需几秒钟。

第一步是在一个原理图文档中设计电路，使用端口作为输入和输出，类似于分层设计。

图7.带输入和输出端口的完整电路。

使用资源管理器面板，创建一个新的“托管原理图图纸”文件夹。

图8.Add folder窗口在Explorer面板中。

创建文件夹后，组织中的所有用户都可以访问该文件夹，您可以继续上载原理图工作表。

图9.带有新添加的托管原理图页的Explorer面板。

现在可以将托管原理图图纸放置在任何项目中。

图10.Place managed schematic sheet命令。

新的托管原理图表将通过“重用”绿色符号进行区分。

图11.放置在SchDoc上的管理示意图。

如果你想知道为什么所有的东西都是蓝色而不是黄色和红色，请查看我之前关于设计风格的文章。

一个可选的“弱”终端，例如1.3Kohm，可以帮助提高具有长存根距离的节点的EMI弹性。然而，相同的电阻有助于网络负载，减少节点数量，降低总线的最终标称阻抗，并降低最大速度。

第二轮保护是最重要的，如果您不考虑增加第二轮保护的话：

MOV（金属氧化物变阻器）或GDT（气体放电管）“吸收”比电视机所能处理的更高的能量。
MOV/GDT和收发器之间的一些限流装置，如高冲击电阻、变阻器或TBU ®（伯恩斯出售的一种奇特的半导体变阻器）。

不过，如果你始终牢记这些设备可能会增加等效总线电容，降低数据传输速率，增加电流消耗，这会有所帮助。

标准模式扼流圈是CAN总线上最常见的过滤器类型，它们工作良好，但也有一些你应该考虑的缺点。

共模扼流圈可与can总线的寄生电容产生共振，导致少数特定频段的噪声增加。由于共模扼流圈中的电感很少被精确地指定，并且寄生电容随电缆长度的变化而变化，这种效应会使can总线设备的EMI特性变得不可预测。如果使用非屏蔽电缆，电容会因电缆与接地金属表面的接近程度而变化。

众所周知，共模电感器与共模电感器一样工作。嗯。某些故障条件，如对电源短路或对地短路，会导致高瞬态共模电流。在某些情况下，共模扼流圈电感产生的过电压会损坏can总线收发器。这些过电压很难调试，因为它们是在过电压保护之后产生的，而过电压保护通常位于电路板的边缘。

扼流圈的第三个缺点…它们可能很贵。高速差分信号需要非常低的电流泄漏。

一些集成电路制造商，特别是德州仪器公司，正在为“无扼流圈”的CAN总线网络推出隔离的、高抗电磁干扰的设备。

我特别决定用一个普通的卡死模式。

我一定爱上了CAN总线。在其无穷的灵活性和极端的抗电磁干扰能力之间，它无疑是世界上最令人兴奋的标准之一。