硬件接口協議之“CAN總線EMC設計”

時間：2021-09-18 17:55:56

關鍵字： EMC CAN總線 C設計

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[導讀]本文主要介紹CAN總線的EMC設計。CAN總線多用于汽車、工業(yè)控制等領域，用于數據的傳輸控制。采用差分信號傳輸，通常情況下只需要兩根信號線（CAN-H和CAN-L）就可以進行正常的通信。但在實際應用的過程中通訊線纜容易耦合外部的干擾對信號傳輸造成一定的影響，單板內部的干擾也可能通...

本文主要介紹CAN總線的EMC設計。

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

CAN總線在實際使用過程中一般會針對性的進行隔離和防護。隔離包括信號線的隔離和電源的隔離，隔離可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力，但也會增加CAN總線的傳輸延遲，導致通信速率和通信距離減少。防護主要針對EMC相關問題，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線，傳統(tǒng)的設計，電源隔離采用變壓器等實現，信號隔離采用光耦、磁耦等實現。

隨著技術的發(fā)展及需求的驅動，像致遠等廠家就推出了面向車載CAN總線的隔離防護方案，比如CTM1051HQ。

CAN接口防護

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

常見的CAN接口防護順序為：第一級進行雷擊浪涌的防護，第二級進行濾波。

如果第一級的防護要求不高，可以采用下圖所示的方案：

第一級只采用TVS管。D1、D2為TVS管，典型選值要求反向關斷電壓3.5V以上；因為TVS只是用來靜電防護，TVS的功率不作要求。TVS管的結電容對信號傳輸有一定的影響，CAN接口推薦使用結電容小于100pF的TVS管。

第二級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為接口地和數字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF，耐壓要求達到2KV以上，C3容值可根據測試情況進行調整。

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

第一級采用GDT，放置在接口最前端。當雷擊、浪涌產生時，GDT瞬間達到低阻狀態(tài)，為瞬時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。

第二級采用電阻進行限流，后端的TVS提供第三級浪涌防護，這樣可以對CAN接口電路提供有效的防護。

CAN接口PCB設計

CAN接口的防護不光需要在原理上進行設計，同時PCB也要設計得當才能發(fā)揮防護器件的性能。

防護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，信號線上的防護器件GDT、TVS管和濾波電容要接到接口地；按照信號流向布局器件，走線時要盡量避免走線曲折的情況。

接口及接口濾波防護電路周邊不能走線且不能放置高速或敏感的器件。

當接口與單板存在相容性較差或不相容的電路時，需要在接口與單板之間進行“分地”處理，即根據不同的端口電壓、電平信號和傳輸速率來分別設置地線。“分地”可以防止不相容電路的回流信號的疊加，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接口信號傳輸速率較高，內部PCB板高頻噪聲很容易由公共地線通過接口向外傳導輻射，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。