CAN总线：设计CAN总线电路

CAN总线节点中包含三个主要组件：

微处理器

CAN总线控制器

CAN总线收发器

CAN总线控制器实现了网络协议ISO 11898-1的所有低级功能，而收发器则与物理层进行通信。不同的物理层需要使用不同的收发器，例如高速罐，低速容错罐或具有可变数据速率的高速罐。

在典型的实现中，CAN总线控制器和微处理器被集成为支持CAN的微控制器。市场上有带SPI接口的外部CAN总线控制器，主要由Microchip制造，但它们通常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。现在该弄脏我们的手，设计我们的CAN总线电路了！

第一步-选择合适的IC

所有CAN总线收发器的运行方式相似，因为它们位于实现CAN总线控制器的微控制器（或FPGA）与CAN总线本身之间。不过，您仍应仔细考虑一些差异。

快速搜索合适的Octopart类别后，可以发现，领先的CAN总线收发器制造商按照所提供的IC数量从高到低依次为NXP Semiconductors，Microchip，Texas Instruments，Maxim Integrated，Analog Devices和ST Microelectronics。

所有这些收发器看起来都很相似，但是它们的功能和性能都不同。

静电防护

市场上第一批CAN总线收发器几乎没有针对ESD（静电释放）事件的保护。他们要求所有I / O保护都必须通过外部组件来实现。 

幸运的是，情况已不再如此。以下是一些随机IC及其在总线引脚上的HBU（人体模型）ESD容限：

较高的ESD耐受性可以节省外部保护，但您应该意识到，在优质TVS二极管上花费几美分可以极大地提高可靠性。

如果您的应用程序受空间限制，而您不必处理太多的ESD，那么多合一方式是可行的。就我而言，我选择了外部TVS和价格更便宜的收发器。

工作电压

市场上大多数收发器的工作电压均为5V，但专为3.3V设计的IC也非常受欢迎。如果不重新使用dc-dc转换器，则无法提供较低的电源电压。某些集成电路，例如Maxim Integrated的MAX14883E，都具有逻辑电平的电源输入，无论收发器的电源如何，都可与1.8V器件实现互操作性。

图1. MAX14883E简化框图，由Maxim Integrated提供

就我而言，我的MCU工作在3.3V，因此我也将其选择用于CAN总线收发器。

速度

在小型网络上，所有高速CAN总线收发器均可以高达1Mbps的速度运行。CAN-FD收发器可以高达5Mbps的速度运行，但是许多收发器仅限于较低的速度，例如2Mbps。 

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。最坏的情况通常是有效波特率是最大值的三分之一。

隔离

出于安全要求，可能需要隔离的CAN总线收发器。例如，在总线进入危险电压的情况下，引入电流隔离可以保护电路的低压部分。相同的隔离还可以通过断开接地回路并允许节点之间的接地电势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。

省电功能

许多收发器都包括一个模式选择输入，可用于降低IC的功耗并关闭发射器。通常，接收器保持活动状态，并且RXD引脚可用于触发微控制器中的唤醒中断。

当通过至少几kOhm的电阻将模式选择输入拉高或拉低时，模式选择输入有时会兼作斜率控制。减小信号斜率虽然可以限制带宽，但允许收发器限制其产生的电磁干扰量。

总线和共模电压范围

所有符合ISO 11898–2的收发器都必须能够承受-3V至+ 32V接地之间的CANH和CANL上的DC电压，而不会中断，能够承受-150V至100V的瞬变，并且能够以介于-2V和+ 7V。

几乎所有市场上的IC都超出了这些要求，举行了非正式的竞赛，由谁来展示后台发生的最重要的数字。

这里有一些例子：

如今，高于50V的电压已成为标准配置，因为许多车辆都采用48V混合动力系统，并且收发器应能够承受与系统较高电压供电轨短接的总线。

输入阻抗

对于网络中可以容纳多少个节点没有严格的规定，但是最关键的参数之一将是收发器上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，并启用更多节点。

智能防护

一些收发器实现了广泛的保护功能，例如：

主导状态超时：如果总线由于诸如硬件或软件故障等原因保持主导状态的时间过长，则会禁用输出驱动器。

热关机。

欠压锁定：在欠压条件下禁用该设备。

隐性电源不足状态：如果未正确供电，则设备不会以任何方式驱动总线。

限流：在正负电源电压短路时提供保护。

自动波特率和仅收听

大多数CAN总线收发器都包含仅侦听模式，该模式将TXD反馈到RXD，而无需实际驱动总线。此功能通常用于自动确定总线波特率。

我的选择

在我的设计中，我选择了TJA1051，主要是因为我很便宜，并且它是市场上最便宜的IC之一。产品页面可以在这里找到。

使用“制造商零件搜索”面板，我立即找到了包含足迹和3D的组件模型，并将它们放置在原理图上。

图2. Altium Designer中的制造商零件搜索面板。

第二步-推论被动

筛选

我无需提及我们将需要本地旁路电容器，对吗？

此外，在CANH和CANL线上有一些通常为40pF至100pF的额外小容量电容器，这些电容器接地也可以帮助吸收ESD能量并改善EMI弹性。与往常一样，总线电容的增加会降低总线速度，增加收发器输出级的负载，并增加功耗。

终止

CAN总线的两端应使用120欧姆的电阻器端接。当然，我们可以正确地计算瓦数（标准功率为1 / 4W，如果偏执则为1 / 2W），放置可爱的小电阻器，然后将其称为一天。但是，为什么要使事情变得简单呢？

到目前为止，我所见过的几乎所有经过行业验证的CAN总线板上都采用了一种更复杂的技术，即分接端接。

在分接终端中，两个60欧姆的电阻器串联使用，总计120欧姆。两个电阻之间的电节点通过一个电容（通常为4.7nF）接地。 

已经计算出电容器的值，以便在网络的基频处获得-3db的截止频率。

就我而言，网络的波特率应为1mbit / s。假设最坏的情况是，当网络正在传输一系列交替的比特（01010101）时，信号将是频率为500kHz或等于波特率一半的方波。

我们知道电阻为60欧姆，因此可以计算出电容器。

如果我们必须近似电容器的值，则稍小一点的电容器将对我们的宝贵信号产生较小的干扰。因此，最广泛采用的值为4.7nF。

如果您需要一个无源组件库，我会全力推荐Mark Harris的Celestial库。它是免费，广泛且精心策划的。

TVS

如果您的系统不受严重的ESD干扰，则收发器IC中包含的保护可能就是所需的一切。

由于瞬态电压抑制器的等效并联电容较低，因此它们是常见的选择。

其他过压保护设备（例如MOV）通常具有较高的寄生电容，这会限制总线数据速率，尤其是对于具有许多节点的总线。

市场上有几种专门为CAN总线设计的TVS二极管，例如，安森美半导体（ON Semiconductor）的NUP2105L，我决定在此设计中采用。

对于收发器，我可以使用“制造商零件搜索”面板从Altium 365库中单击一下来放置模型，而不必绘制原理图符号和封装。

图3.使用制造商零件搜索面板放置NUP2105L TVS二极管。

第三步-设计PCB

保持紧绷（与本文不同）

如果您的电路没有保护，则所有EMI电流都会从连接器直接流入收发器，然后再通过接地层流回。这就是电流要执行的操作，因为这是阻抗最小的路径。

您所有的保护组件都应尽可能靠近该路径，以免增加环路面积。此外，所有保护措施都应尽可能靠近连接器和电路板的边缘，以防止噪声耦合到电路的其余部分。

自然，不可能将所有内容都直接插入连接器，因此我们必须确定优先级。一般的经验法则是将必须应对“最恶劣” EMI犯罪者的组件放在第一位。

在我们的情况下，TVS二极管必须处理高速大电流事件。由于快速脉冲中含有丰富的高频成分，因此如果不加检查就可以漫游到我们的电路板上，则它们将与所有可用的迹线耦合并中断操作。

因此，TVS排在第一位。

如果中间没有终端电阻，则共模扼流圈将排在第二位。

图4.路由示例。

在我们的示例PCB中，仍有改进的空间。TVS二极管可以旋转180度，以进一步减小ESD环路面积。电容器C5和C6也可以旋转180度，并向右移一点。

使用飞机

每个PCB布局指南都在其中写有“此接地平面”或“该接地平面”，如果您想要使EMI远离电路板的柔软腹部，就无法逃避。

使用地平面。

您要钳制到地面的任何信号的下方都必须有一个接地层，以使阻抗最小的路径尽可能短。TVS二极管应将脉冲直接放电到接地层，并通过低电感连接到电缆屏蔽层（如果有）。

通过技术使用低阻抗

如果将我们辛苦赚来的便士全部花费在电容器上，如果它们的作用将被接地走线的电感抵消，那将是没有多大意义的。

图5.低电感和高电感通孔设计示例。返回路径为红色。

在这种设计中，我在焊盘的郊区使用了过孔。与焊盘中的通孔技术不同，它在PCB的制造中不需要额外的步骤，因此不会增加成本。通孔必须固定；否则，锡膏会流入内部，并且焊盘将无法充分润湿。

您可以在此处通过属性找到有关Altium Designer的文档。

图6.低电感通孔设计的详细视图。

第五步-分享（毫不留情的销售策略）

假设我们现在已经花了数小时阅读可疑人物撰写的文章，研究收发器，测试和验证我们完善的CAN总线子电路。怎么办？

您可以与整个组织共享原理图图纸，而这只需要几秒钟。

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，这与分层设计类似。

图7.带有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“ Managed Schematic Sheets”文件夹。

图8. Explorer面板内的Add folder窗口。

创建文件夹后，组织内的所有用户都可以访问该文件夹，您可以继续上载原理图图纸。

图9.资源管理器面板，其中包含新添加的托管原理图。

现在，您可以将托管原理图图纸放置在任何项目中。

图10.放置托管原理图图纸命令。

您的新托管原理图表将以“重用”绿色符号区分。

图11.放置在SchDoc上的托管原理图。

如果您想知道为什么所有内容都是蓝色而不是黄色和红色，请查看我之前有关设计样式的文章。

技巧和窍门

为存根添加额外的端接

可选的“弱”端接，例如1.3Kohm，可以帮助提高短截距的节点的EMI弹性。但是，相同的电阻会增加网络负载，减少节点数量，降低总线的最终标称阻抗并降低最大速度。

越多越好。或不？

如果您不受成本限制，并且输入保护对您至关重要，则应考虑添加第二轮保护：

MOV（金属氧化物压敏电阻）或GDT（气体放电管）“吸收”了比TVS可以处理的能量更高的能量。
在MOV / GDT和收发信机，诸如高脉冲电阻器，变阻器，或TBU之间的一些限流装置?（由Bourns出售的花式半导体变阻器）。

但是，如果您始终牢记，这些设备可能会增加等效总线电容并降低数据速率并增加电流消耗，这将有所帮助。

共模扼流圈很棒，但很危险

标准模式扼流圈是CAN-Bus上最常用的滤波器类型，虽然效果很好，但是您应该考虑一些缺点。

共模扼流圈会与CAN总线总线的寄生电容产生谐振，从而导致在某些特定频段内噪声增大。由于很少精确指定共模扼流圈中的电感，并且寄生电容会随电缆长度而变化很大，因此这种影响会使CAN总线设备的EMI特性无法预测。如果使用非屏蔽电缆，则电容会根据电缆与接地金属表面的接近程度而变化。

众所周知，共模电感在共模下的作用类似于电感。咄。某些故障情况（例如电源或接地短路）会导致高瞬态共模电流。在某些情况下，由共模扼流圈的电感产生的过压会损坏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，该保护通常位于电路板的边缘。

扼流圈的第三个缺点是……它们可能很昂贵。高速差分信号需要非常低的电流泄漏。

一些IC制造商，尤其是德州仪器（TI），正在推动用于“无扼流” CAN总线网络的隔离且具有高EMI容限的设备。

我非常喜欢它们，因此我决定使用专为CAN总线应用设计的共模扼流圈。