硬件接口協(xié)議之“CAN總線EMC設(shè)計(jì)”

本文主要介紹CAN總線的EMC設(shè)計(jì)。

CAN總線多用于汽車、工業(yè)控制等領(lǐng)域，用于數(shù)據(jù)的傳輸控制。采用差分信號(hào)傳輸，通常情況下只需要兩根信號(hào)線（CAN-H和CAN-L）就可以進(jìn)行正常的通信。但在實(shí)際應(yīng)用的過程中通訊線纜容易耦合外部的干擾對(duì)信號(hào)傳輸造成一定的影響，單板內(nèi)部的干擾也可能通過電纜形成對(duì)外輻射。所以在干擾比較強(qiáng)的場合，還需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干擾信號(hào)），CAN協(xié)議推薦用戶使用屏蔽雙絞線作為CAN總線的傳輸線。

CAN總線在實(shí)際使用過程中一般會(huì)針對(duì)性的進(jìn)行隔離和防護(hù)。隔離包括信號(hào)線的隔離和電源的隔離，隔離可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，但也會(huì)增加CAN總線的傳輸延遲，導(dǎo)致通信速率和通信距離減少。防護(hù)主要針對(duì)EMC相關(guān)問題，包括RE、CE、RS、CS、ESD、SURGE、EFT/B等等。

CAN總線隔離

CAN總線的隔離包括電源和信號(hào)線，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電源隔離采用變壓器等實(shí)現(xiàn)，信號(hào)隔離采用光耦、磁耦等實(shí)現(xiàn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展及需求的驅(qū)動(dòng)，像致遠(yuǎn)等廠家就推出了面向車載CAN總線的隔離防護(hù)方案，比如CTM1051HQ。

CAN接口防護(hù)

CAN總線的防護(hù)思路主要是屏蔽干擾、提供泄放通道、隔離保護(hù)等。其中隔離部分上面已經(jīng)介紹了，下面介紹一下屏蔽和泄放。

常見的CAN接口防護(hù)順序?yàn)椋旱谝患?jí)進(jìn)行雷擊浪涌的防護(hù)，第二級(jí)進(jìn)行濾波。

如果第一級(jí)的防護(hù)要求不高，可以采用下圖所示的方案：

第一級(jí)只采用TVS管。D1、D2為TVS管，典型選值要求反向關(guān)斷電壓3.5V以上；因?yàn)門VS只是用來靜電防護(hù)，TVS的功率不作要求。TVS管的結(jié)電容對(duì)信號(hào)傳輸有一定的影響，CAN接口推薦使用結(jié)電容小于100pF的TVS管。

第二級(jí)采用共模電感加濾波電容。L1為共模電感，用于濾除差分線上的共模干擾，其阻抗選擇范圍為120Ω/100MHz~2200Ω/100MHz，典型值選取600Ω/100MHz。C1、C2為信號(hào)線上的濾波電容，給干擾提供低阻抗的回流路徑，容值選取范圍為22PF~1000pF，典型值選取100pF。C3為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達(dá)到2KV以上，C3容值可根據(jù)測試情況進(jìn)行調(diào)整。

如果CAN接口是在可能有大能量雷擊的場合使用，則推薦進(jìn)行多級(jí)防護(hù)，這樣可以抑制大能量的雷擊浪涌，詳細(xì)見下圖的三級(jí)防護(hù)電路。

第一級(jí)采用GDT，放置在接口最前端。當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí)，GDT瞬間達(dá)到低阻狀態(tài)，為瞬時(shí)大電流提供泄放通道，將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制固定的電壓值范圍內(nèi)。

第二級(jí)采用電阻進(jìn)行限流，后端的TVS提供第三級(jí)浪涌防護(hù)，這樣可以對(duì)CAN接口電路提供有效的防護(hù)。

CAN接口PCB設(shè)計(jì)

CAN接口的防護(hù)不光需要在原理上進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)PCB也要設(shè)計(jì)得當(dāng)才能發(fā)揮防護(hù)器件的性能。

防護(hù)器件及濾波器件要靠近接口位置處擺放且要求擺放緊湊整齊，信號(hào)線上的防護(hù)器件GDT、TVS管和濾波電容要接到接口地；按照信號(hào)流向布局器件，走線時(shí)要盡量避免走線曲折的情況。

接口及接口濾波防護(hù)電路周邊不能走線且不能放置高速或敏感的器件。

當(dāng)接口與單板存在相容性較差或不相容的電路時(shí)，需要在接口與單板之間進(jìn)行“分地”處理，即根據(jù)不同的端口電壓、電平信號(hào)和傳輸速率來分別設(shè)置地線?！胺值亍笨梢苑乐共幌嗳蓦娐返幕亓餍盘?hào)的疊加，防止公共地線阻抗耦合；

共模電感及跨接電容要置于“分地”隔離帶中。隔離帶下面投影層要做掏空處理，禁止走線。

CAN接口信號(hào)傳輸速率較高，內(nèi)部PCB板高頻噪聲很容易由公共地線通過接口向外傳導(dǎo)輻射，因此將公共地分割且通過電容相接，可以阻斷共模干擾的傳播路徑。

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