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?導(dǎo)讀
之前在進(jìn)行一款產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，采用了模塊化的硬件設(shè)計(jì)思路，其中CAN總線部分采用之前較為“成熟”的方案，在CAN電路中設(shè)計(jì)了共模電感；但在產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)CAN總線波形異常導(dǎo)致的通信失敗；最終將電路中的共模電感更換為2個(gè)0歐電阻后，問(wèn)題得到解決。那么問(wèn)題來(lái)了，共模電感在CAN電路中到底起什么作用？是否可以去掉？本文將簡(jiǎn)單介紹共模電感用于總線的作用。
說(shuō)在前面
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(wàn)一，確?？煽?，會(huì)對(duì)CAN增加全面外圍電路。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：共模電感圖1、圖2分別給出了差模和共模干擾及其傳輸途徑。差模干擾發(fā)生于兩條傳輸線之間，共模干擾則在兩條線中同時(shí)發(fā)生，其電勢(shì)是以地為參閱。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，分別繞制繞向相反、相同匝數(shù)的線圈。對(duì)于共模干擾：由于總線的共模干擾是相同的，所以在磁環(huán)中形成的磁力線相互疊加，電感阻抗增大大從而起到衰減干擾的作用。對(duì)于差模干擾：對(duì)差模信號(hào)在磁環(huán)中形成的磁力線是相互抵消的，并沒(méi)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(wú)影響。
二：CAN總線特性
CAN收發(fā)器內(nèi)部CANH、CANL分別是開(kāi)源、開(kāi)漏輸出，驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。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(guò)終端電阻放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3：CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路
CAN總線是差分信號(hào)，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(guò)CANH、CANL相減可很好地消除來(lái)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(lái)EMC問(wèn)題。我們通過(guò)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(wú)異常。但測(cè)試傳導(dǎo)發(fā)射，則不能滿足限值要求，看起來(lái)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(wèn)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接口增加外圍器件，其中共模電感是一種很好的選擇。在現(xiàn)有汽車電子標(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)器均達(dá)不到要求。如圖5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(guò)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(lái)兩個(gè)問(wèn)題：諧振和瞬態(tài)電壓。共模電感不可避免地會(huì)有寄生電感和直流電阻?？紤]到總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量、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)下降沿有明顯共振。此外，共模電感具有大電感，并且直接連接到收發(fā)器接口。在實(shí)際應(yīng)用中，短路、熱插拔等狀態(tài)會(huì)在共模電感兩端產(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)是顯而易見(jiàn)的。它可以過(guò)濾信號(hào)線的共模干擾，衰減差異信號(hào)的高頻部分，抑制CAN接口本身向外發(fā)出的電磁干擾，在傳導(dǎo)騷擾中起到很好的改善作用。然而，應(yīng)用時(shí)仍然需要考慮它們帶來(lái)的諧振和瞬態(tài)電壓。這些在長(zhǎng)距離和多節(jié)點(diǎn)通信中不利于總線信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)一般工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合沒(méi)有嚴(yán)格的傳導(dǎo)發(fā)射要求，因此不能增加共模電感。
End
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說(shuō)在前面
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(wàn)一，確?？煽?，會(huì)對(duì)CAN增加全面外圍電路。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：共模電感圖1、圖2分別給出了差模和共模干擾及其傳輸途徑。差模干擾發(fā)生于兩條傳輸線之間，共模干擾則在兩條線中同時(shí)發(fā)生，其電勢(shì)是以地為參閱。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，分別繞制繞向相反、相同匝數(shù)的線圈。對(duì)于共模干擾：由于總線的共模干擾是相同的，所以在磁環(huán)中形成的磁力線相互疊加，電感阻抗增大大從而起到衰減干擾的作用。對(duì)于差模干擾：對(duì)差模信號(hào)在磁環(huán)中形成的磁力線是相互抵消的，并沒(méi)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(wú)影響。
二：CAN總線特性
CAN收發(fā)器內(nèi)部CANH、CANL分別是開(kāi)源、開(kāi)漏輸出，驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。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(guò)終端電阻放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3：CAN收發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路
CAN總線是差分信號(hào)，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(guò)CANH、CANL相減可很好地消除來(lái)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(lái)EMC問(wèn)題。我們通過(guò)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(wú)異常。但測(cè)試傳導(dǎo)發(fā)射，則不能滿足限值要求，看起來(lái)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(wèn)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接口增加外圍器件，其中共模電感是一種很好的選擇。在現(xiàn)有汽車電子標(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)器均達(dá)不到要求。如圖5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(guò)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(lái)兩個(gè)問(wèn)題：諧振和瞬態(tài)電壓。共模電感不可避免地會(huì)有寄生電感和直流電阻?？紤]到總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量、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)下降沿有明顯共振。此外，共模電感具有大電感，并且直接連接到收發(fā)器接口。在實(shí)際應(yīng)用中，短路、熱插拔等狀態(tài)會(huì)在共模電感兩端產(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
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