在CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，我們通常為了總線的通訊更為可靠，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萬一，確?？煽浚瑫?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總線要不要加共模電感，我們主要從電磁兼容方面考慮。
一、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，類似CAN總線。差模干擾產(chǎn)生于兩條傳輸線之間，共模干擾則在兩條線中同時(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)但繞向相反的線圈。共模干擾是相同的，所以在磁環(huán)中形成的磁力線相互疊加，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)中形成的磁力線是相互抵消的，并沒有抑制作用，僅有線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)線上的共模信號(hào)干擾，另一方面抑制信號(hào)線本身不向外發(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)則幾乎無影響。
二、CAN總線特性CAN收發(fā)器內(nèi)部CANH、CANL分別為開源，開漏輸出形式，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。這種方式可以使總線輕松實(shí)現(xiàn)顯性電平的驅(qū)動(dòng)，而隱性電平則通過終端電阻放電來實(shí)現(xiàn)。
圖3. CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路
總線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CANH、CANL相減可很好地消除來自外部的共模干擾，但CANH、CANL并非理想對(duì)稱，快速上升的跳變沿，這些均會(huì)帶來EMC問題。
我們通過示波器看總線波形很完美，測(cè)試靜電，EFT，浪涌，傳導(dǎo)騷擾抗擾均無異常。但測(cè)試傳導(dǎo)發(fā)射，則不能滿足限值要求，看起來很正常的總線實(shí)際卻向外在發(fā)送傳導(dǎo)干擾。
圖4. CAN傳輸波形
三、為什么要加共模電感？對(duì)于CAN接口的EMC問題，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)有汽車電子CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)傳導(dǎo)騷擾限值有很嚴(yán)格要求。許多CAN收發(fā)器均會(huì)超過限值。
如圖5所示，分別為按照車規(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測(cè)試要求，滿足現(xiàn)有汽車用要求，但總線增加共模電感也會(huì)帶來兩個(gè)問題：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，考慮總線節(jié)點(diǎn)數(shù)，通信距離等因素，會(huì)引起諧振，影響總線信號(hào)質(zhì)量，如圖6所示，綠色波形為增加共模電感的總線波形，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
四、總結(jié)共模電感用于總線的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，它可以濾除信號(hào)線的共模電磁干擾，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)射并無嚴(yán)格要求，因此可不增加共模電感。
文章來源：21ic電子網(wǎng)公眾號(hào)
