利用電荷泵為高速CAN收發(fā)器供電

在過去的數(shù)十年中，從汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢看，汽車制造對于舒適度、效率、環(huán)境友好性的要求不斷提升，對于性能和汽車安全性的期望值也不斷提高。在這一趨勢的帶動下，汽車中的電子子系統(tǒng)以及連接這些子系統(tǒng)的配線的數(shù)量大幅增加。線纜的增多導(dǎo)致汽車重量增加，當(dāng)然也增加了成本。不過，在八十年代初期，Bosch公司推出了CAN總線網(wǎng)絡(luò)，這種總線網(wǎng)絡(luò)有效降低了線路連接的復(fù)雜度，減輕了線纜重量并節(jié)省了成本，因而被廣泛用于汽車工業(yè)。

汽車制造從集中控制系統(tǒng)到分布式控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變有助于汽車廠商達(dá)到降低汽車重量和成本的目標(biāo)。集中控制系統(tǒng)通過大量線纜將所有執(zhí)行裝置、傳感器以及開關(guān)連接到控制系統(tǒng)，而分布式管理系統(tǒng)將電子控制單元(ECU)放置在需要控制的位置，通過總線系統(tǒng)進(jìn)行相互通信(例如：兩線制CAN總線網(wǎng)絡(luò))(圖1)。

CAN網(wǎng)絡(luò)由多個收發(fā)器模塊組成，這些收發(fā)器通過一對總線鏈接。每個模塊為一個CAN收發(fā)器，用于支持協(xié)議控制器(微控制器、狀態(tài)機或模塊內(nèi)的其它處理引擎)和物理介質(zhì)(線纜)之間的物理層互聯(lián)。這種新型CAN總線設(shè)計需要快速標(biāo)準(zhǔn)化，以確保來自不同廠商的ECU之間正確通信。ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)在1993年首先對其實行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，并在2003年和2007做出了進(jìn)一步修正。目前的ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被原始設(shè)備制造商(OEM)作為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用，用于所有汽車內(nèi)部的CAN通信。

為滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)并提供正確的總線電平，大部分CAN收發(fā)器總線驅(qū)動器需要5V電源供電。但電子系統(tǒng)的主電源通常不能滿足子系統(tǒng)的電源要求。這種情況下，提供的系統(tǒng)電源通常不能直接為CAN收發(fā)器供電，例如，系統(tǒng)可能只提供一個3.3V電源。有時由于空間限制無法容納最合適的電源數(shù)量;有時則由于發(fā)熱問題而無法直接從電池產(chǎn)生5V電壓，特別是在電池電壓較高的CAN通信系統(tǒng)中(如：汽車中采用雙電池的情況，或者24V卡車系統(tǒng))。

可以利用電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所要求的電源電壓，對于低功耗、結(jié)構(gòu)簡單的低成本設(shè)計，電荷泵通常是最佳的選擇。它不需要昂貴的電感或額外的半導(dǎo)體器件，而且易于使用。

電荷泵的選擇

1. 收發(fā)器電源

目前市面上已有簡單、功能成熟的CAN收發(fā)器，有些收發(fā)器需要單電源供電，而有些收發(fā)器需要多路電源供電。為了使來自不同ECU供應(yīng)商的模塊之間能夠正確地互操作，并實現(xiàn)遵循ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN通信，絕大多數(shù)模塊需要一個滿足最大容限要求的5V電源。

有些收發(fā)器還帶有內(nèi)置I/O電平適配器。利用協(xié)議控制器的電源(作用在收發(fā)器單獨的電源引腳)，電平適配器按比例調(diào)整收發(fā)器的I/O電平，使其達(dá)到控制器電平。由此，收發(fā)器可直接連接工作在5V以下的控制器，無需任何膠合邏輯。

低功耗管理收發(fā)器支持本地和遠(yuǎn)程喚醒，因此帶有另外一個電源引腳。該引腳必須由汽車電池持續(xù)供電且消耗的電流很小。因而ECU要求高速CAN總線即使在點火鑰匙“關(guān)閉”的條件下也必須保持有效工作。

關(guān)于CAN收發(fā)器其它引腳的功能描述，請參考選定器件的數(shù)據(jù)資料。

2. 電源電流

CAN總線通常處于兩個邏輯狀態(tài)之一：隱性或顯性(圖2)。正常通信模式下，收發(fā)器在顯性狀態(tài)下需要最大的輸入電流，隱性狀態(tài)所需的輸入電流最小。此時I/O電平適配器和遠(yuǎn)程喚醒功能所消耗的電流可以忽略，因為它們通常消耗的是微控制器電源和汽車電池的電流，而且數(shù)值非常小。

總線出現(xiàn)故障時，電源電流會顯著增大，特別是在CAN_H線與地短路時。大多數(shù)收發(fā)器都會把短路電流限制在一個特定的最大值。為了防止電源電壓跌落，最好按照這種情況下的電流要求定義電荷泵的輸出電流規(guī)格。

基于上述考慮，為了給CAN收發(fā)器提供適當(dāng)?shù)碾娫?，要求電荷泵必須保?V輸出電壓，并滿足收發(fā)器數(shù)據(jù)資料中的標(biāo)稱電壓容限，最小輸出電流必須支持CAN_H短路到地的情況。

利用MAX1759電荷泵為MAX13041收發(fā)器供電

市場上可以找到多種傳統(tǒng)的CAN收發(fā)器和電荷泵器件，本文主要關(guān)注MAX13041 HS CAN收發(fā)器和MAX1759 buck/boost穩(wěn)壓型電荷泵的設(shè)計，解決收發(fā)器供電問題。收發(fā)器通過VCC引腳供電，為支持標(biāo)準(zhǔn)的ISO 11898 CAN通信，VCC必須保持在4.75V與5.25V之間(標(biāo)稱工作電壓范圍)。該電壓在總線(CAN-H，CAN-L)之間建立正確的通信信號，并在IC處于正常工作模式時為接收電路供電。

收發(fā)器的VI/O輸入使能3.3V I/O微控制器的接口電路，在控制器和收發(fā)器的接收/發(fā)送 (RxD/TxD)級建立正確的電平。當(dāng)然，當(dāng)與5V控制器通信時，VI/O引腳也可以由5V電源供電。

VBAT引腳(通常連接到汽車12V電池)為具有極低靜態(tài)電流的喚醒檢測電路供電。根據(jù)CAN總線的信息，該引腳可以控制MAX13041從休眠模式喚醒。關(guān)于其它引腳的詳細(xì)說明，請參考MAX13041數(shù)據(jù)資料。

正常通信模式下，MAX13041在顯性狀態(tài)需要的最大輸入電流(VCC引腳)為80mA，隱性狀態(tài)(圖2)下為10mA。流入VI/O和VBAT的電流可忽略不計。當(dāng)總線出現(xiàn)故障時，VCC電源電流將顯著增大，特別是當(dāng)CAN_H信號線與地短路時。MAX13041將短路電流限制在IO(SC) = 95mA。

基于上述考慮，為了滿足CAN收發(fā)器的供電要求，電荷泵必須具有穩(wěn)定的5V輸出電壓，確保符合電壓容限的要求，最小輸出電流為95mA。

1. 電荷泵要求

MAX1759架構(gòu)允許輸入電壓高于或低于穩(wěn)壓輸出值。而本應(yīng)用中，電荷泵僅作為升壓轉(zhuǎn)換器工作。當(dāng)VIN低于VOUT時，電荷泵作為穩(wěn)壓型升壓倍壓器工作。輕載下，電荷泵僅在需要維持負(fù)載的供電能量時進(jìn)行開關(guān)操作，消耗很小的靜態(tài)電流。輕載時，輸出電壓紋波不會增大。

有關(guān)電荷泵其它特性的詳細(xì)說明，請參考MAX1759數(shù)據(jù)資料。

2. 實現(xiàn)3.3V方案

從圖3電路可以看出，用電荷泵為MAX13041供電非常簡單。只需要把MAX1759連接到CAN收發(fā)器的VCC輸入(藍(lán)色虛線所示)，即可產(chǎn)生滿足容限和輸出電流要求的5V輸出電壓。該配置允許其它電路采用低壓供電。本示例中，外部3.3V電源(綠色)為電荷泵(IN)、微控制器以及收發(fā)器的VI/O電平轉(zhuǎn)換器供電。拉高電荷泵的/SHDN，使器件置于ON狀態(tài)。MAX1759數(shù)據(jù)資料詳細(xì)介紹了關(guān)于輸入/輸出(CIN, COUT)電容和飛電容(CX)的選擇。

3. 電磁兼容性

電磁兼容(EMC)是CAN通信網(wǎng)絡(luò)的一個設(shè)計挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)采用開關(guān)型穩(wěn)壓器供電時。CAN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配線是一個關(guān)鍵問題，由于CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L引腳是連接整個汽車總線網(wǎng)絡(luò)的接口。設(shè)計時如果不謹(jǐn)慎，可能從CAN電源產(chǎn)生較大干擾，干擾信號通過收發(fā)器，經(jīng)過總線最終進(jìn)入其它ECU，或進(jìn)入鄰近的線纜。這種干擾將造成通信故障或系統(tǒng)其它控制單元之間的傳輸故障。

基于這一考慮，我們測試了采用MAX1759電荷泵供電的MAX13041的EMC特性，并與采用經(jīng)過濾波的5V電源供電的收發(fā)器的EMC特性進(jìn)行比較。由此，我們可以看到電荷泵的EMC干擾和電荷泵對CAN總線傳輸電源干擾的抑制能力。在本測試中，我們主要考慮兩個方面：電磁抗擾(EMI)和電磁輻射(EME)。

4. 電磁抗擾測試(EMI)

ISO 11452規(guī)范規(guī)定了幾種抗RF干擾的測試方法，包括大電流注入(BCI)、橫向電磁波室(TEM-cell)、帶狀線以及直接電源注入(DPI)。

由于DPI方法具有較好的可重復(fù)性(采用精心設(shè)計的測試板)，并且測試工作量不大，因此我們選用了該方法。DPI測試原理非常簡單：向總線電纜注入特定的經(jīng)過調(diào)制或未經(jīng)調(diào)制的交流電壓，通過收發(fā)器的RXD引腳檢測傳輸數(shù)據(jù)的信號完整性。這種方法還便于比較不同廠商的設(shè)計，可以在獨立的實驗室測試CAN收發(fā)器(如IBEE)。

5. 測試裝置

測試裝置(圖4)包括三個焊接在PCB上的相同收發(fā)器，其中一個收發(fā)器由MAX1759電荷泵供電，節(jié)點1作為發(fā)送器，用于仿真CAN數(shù)據(jù)的比特流模板，數(shù)據(jù)由所有收發(fā)器接收并在RxD端口進(jìn)行監(jiān)測。對于Rx1至Rx3輸出以及TxD1輸入的RF去耦，采用1k?電阻。每個收發(fā)器IC的VCC和VBAT電源端口采用陶瓷電容(C = 100nF)緩沖。喚醒引腳的電阻為33k?。將EN引腳和/STB引腳置于高電平，使器件處于正常工作模式。節(jié)點1的VCC電壓由MAX1759電荷泵產(chǎn)生，電荷泵由3.3V供電。3.3V電源還用作節(jié)點1收發(fā)器的VI/O電壓。

電荷泵輸出電容C1為10μF，飛電容C2為330nF，IN輸入引腳采用10μF電容去耦。測試電路中，總線端接采用60? R4電阻進(jìn)行中心端接。對稱的RF耦合/去耦采用RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由R5/R6=120、C3/C4=4.7nF組成。外部3.3V、5V、12V電源由標(biāo)準(zhǔn)電源提供，通過濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。

6. 測試步驟

對正常工作模式下的CAN收發(fā)器MAX13041進(jìn)行測試，在第一輪測試中，所有收發(fā)器采用標(biāo)準(zhǔn)VCC = 5V電源供電;第二輪測試中，其中一個收發(fā)器由電荷泵供電(圖4)。模板發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的500kbps方波，仿真節(jié)點1的TXD引腳的CAN信號(交替的0-1-0數(shù)據(jù))。RF輸入HF發(fā)生器(HF1)對CAN總線注入一個固定頻率的調(diào)幅(AM)交流電壓，功率為36dBm，用于模擬干擾信號。

為評估抑制特性，在饋入TXD的干擾信號的影響下，用示波器比較網(wǎng)絡(luò)中三個收發(fā)器的Rx信號。根據(jù)所允許的±0.9V最大電壓偏差和±0.2μs最大時間偏差確定屏蔽值，覆蓋整個TXD信號波形。

如果達(dá)到失效條件(例如，如果一個收發(fā)器的RXD信號超出了所確定的屏蔽窗口)，將所注入的RF功率降至0.2dBm，并按照特定的頻率步長重復(fù)相同測試，直到解除失效狀態(tài)。然后，記錄當(dāng)前的功率值并調(diào)整到下一頻率步長。測試頻率范圍覆蓋10MHz至100MHz。

7. DPI測試結(jié)果

圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)5V電源作用在VCC為MAX13041供電時的測試結(jié)果(藍(lán)色)，以及由電荷泵為MAX13041供電時的測試結(jié)果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示沒有發(fā)生失效的情況下作允許的最大注入功率。

藍(lán)線和粉線幾乎相同，表明該電路的EMI特性主要取決于CAN收發(fā)器本身的EMI敏感度，而非電荷泵的EMI敏感度。因此，當(dāng)電路受到任何EMI干擾時，為MAX13041 CAN收發(fā)器供電的MAX1759電荷泵不會明顯影響電路性能。

8. 輻射測試(EME)

輻射測試在同一個電路板進(jìn)行，除了將功率注入電路(HF發(fā)生器)替換為頻譜分析儀外，測試裝置與DPI測試相同。測試也是在CAN收發(fā)器正常工作模式下進(jìn)行。第一輪測試在所有收發(fā)器采用標(biāo)準(zhǔn)VCC = 5V電源供電條件下進(jìn)行;第二輪測試在一個CAN節(jié)點由電荷泵供電的條件下進(jìn)行。在CAN TXD輸入作用一個方波信號(仿真500kbps的傳輸比特流)，CAN總線的輻射由頻譜分析儀在100kHz至1GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量和記錄，無需示波器(圖4)。

9. 輻射測試結(jié)果

圖6給出了標(biāo)準(zhǔn)5V電源作用在VCC為MAX13041供電的測試結(jié)果(藍(lán)色)，以及電荷泵供電條件下的MAX13041測試結(jié)果(粉色)。X軸表示頻率范圍，Y軸表示干擾信號電平。

與采用標(biāo)準(zhǔn)5V供電的MAX13041 (藍(lán)色)相比，藍(lán)線峰值和粉線峰值(其中一個收發(fā)器由電荷泵供電)幾乎相同。表明電路的輻射特性主要取決于CAN收發(fā)器的輻射兼容性，而非電荷泵。測試結(jié)果表明，采用電荷泵為CAN收發(fā)器供電并沒有明顯影響系統(tǒng)整體的EMC特性。如果選擇其他半導(dǎo)體廠家的收發(fā)器或電荷泵，最好對所選器件進(jìn)行類似測試，因為每個供應(yīng)商的產(chǎn)品性能有所不同。

本文小結(jié)

在CAN應(yīng)用中，實現(xiàn)電磁兼容目標(biāo)是極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題，特別是當(dāng)收發(fā)器由開關(guān)穩(wěn)壓器(電荷泵)供電時。但是，本文推薦的電荷泵不會對電路的EMC特性產(chǎn)生明顯影響。對于要求以低成本實現(xiàn)低功耗、低電壓工作的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計人員在沒有現(xiàn)成的5V電源的情況下，可以采用電荷泵給CAN收發(fā)器供電。