用无扼流圈收发器简化CAN总线的实现方式

 用无扼流圈收发器简化CAN总线的实现方式

作者:德州仪器 (TI)工业接口组应用经理Maxwell Roberson

无扼流圈CAN收发器能够使系统设计人员在满足严格的汽车EMC要求的同时,减小CAN总线实现方式的尺寸,并降低成本和复杂度。

由于汽车内电子元器件的密度在逐年增加,我们需要确保车内网络在电磁兼容性(EMC)方面保持高性能。

这样的话,当不同子系统被集成在一个较大解决方案中,并且在常见(嘈杂)环境中运行时,这些子系统能够正常运转。虽然有很多不同的车内网络互连标准,并且汽车原始设备制造商(OEM)对于EMC也有多种不同的要求,这篇文章主要讨论一个已经被证明具有特别挑战性的话题:一个控制器局域网 (CAN) 总线的射频 (RF) 放射。

CAN使用均衡的差分信令来发送波特率,高达1Mbps(或者更高,前提是使用“灵活数据速率”变量)的二进制数据。理想情况下,差分信令的使用避免了所有外部噪声耦合。由于每一半差分对(被称为CANH和CANL)在变化时是对称的,它们的噪声带来的干扰是具有破坏性的。然而,没有CAN收发器是完全理想的,并且CANH和CANL信号之间的低值不对称会产生未经完全均衡的差分信号。当这一情况发生时,CAN信号的共模分量(CANH和CANL的平均值)将不再是一个恒定的DC值。相反地,它将表现出与数据有关的噪声。

两个主要的不均衡类型会导致这个噪声。其中一个就是显性(被驱动)和隐性(高阻抗)状态期间稳定状态共模电压电平之间的不匹配。

这个稳定状态不匹配会导致一个类似于CAN数据本身缩放版本的噪声图形。这个噪声图形在它的频谱内很宽,表现为一系列延伸至极低频率且间隔均匀的离散频谱线。定时不匹配会导致一个由短脉冲或干扰组成的噪声图形,只要数据中有边缘变换,它就会出现。这个噪声图形的频谱含量往往集中比较高的频率上。

图1中的波形显示了一个可以在典型CAN收发器的输出上观察到的共模噪声。在这幅图像中,黑色轨迹线(通道1)显示CANH,紫色轨迹线(通道2)显示的是CANL,并且绿色轨迹线(数据功能)是CANH与CANL的和。这个求和的过程给出了一个波形,它的值等于此时一个指定点上共模电压的2倍。

“图1:典型CAN收发器CANH/CANL输出和共模噪声”


图1:典型CAN收发器CANH/CANL输出和共模噪声

共模波形显示出两种噪声类型:与显性至隐性/隐性至显性变换相对应的高频噪声,而低频噪声是与不匹配的显性和隐性共模相对应的。

由于信号的共模部分能够与系统(或与外部系统)中的其它分量耦合在一起(通过辐射或传导路径),这个共模噪声直接影响放射性能。这个器件的传导放射按照工业电气工程/电子 (IBEE) 茨维考技术的工程服务进行测量;如图2中所示,这个器件的传导放射连同一个普通汽车原始设备制造商(OEM)限值线一同绘制。

“图2:一个典型CAN收发器的传导放射”


图2:一个典型CAN收发器的传导放射

这个收发器的输出放射超过了低频和高频区域内的OEM要求。为了把放射降低到令人满意的水平,必须使用某些外部滤波。

CAN总线中最常用的滤波器组件就是共模扼流圈(如图3中所示)。共模扼流圈的构成方式是将两个线圈绕在同一个铁芯上。在每个线圈绕组方向的安排方面,要使得共模电流(也就是说,每个线圈内的电流方向一致)具有共用同一极性的磁通量。这使得共模扼流圈可以运行为针对共模信号的电感器,从而提供一个随上升的频率而增加的阻抗。相反地,差分模式电流(也就是说,每个线圈内的电流方向相反)将使它们的磁通量与反向极性相互作用。对于诸如CAN信号的均衡波形,每个线圈内相反磁通量的幅度将会相等,因此不会在铁芯内累积静磁通。这使得扼流圈运行为一个针对CAN信号的短接电路。

“图3:共模扼流圈电路原理图”


图3:共模扼流圈电路原理图

这项技术在减少CAN总线放射方面十分有效。例如,当用一个51µH共模扼流圈对上面不能满足放射要求的器件进行重新测试时,性能得到极大提升(图4)。

“图4:典型CAN收发器(具有共模扼流圈)的传导放射”


图4:典型CAN收发器(具有共模扼流圈)的传导放射

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