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      共模電感用于CAN總線的作用

      在CAN節點的設計中,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,但實際并非所有應用都需要,過多防護不僅增加成本,而且器件的寄生參數必然影響信號質量。本文將簡單介紹共模電感用于總線的作用。

      我們在實際應用中看到許多CAN產品會使用共模電感,但在常規測試中卻看不到它對哪一項指標有明顯改善,反而影響波形質量。許多工程師為了以防萬一,確??煽?,會對CAN增加全面外圍電路。CAN芯片已經有很好的抗靜電,瞬態電壓能力,有些收發器本身也有很好的EMC性能,我們在應用中可根據設計要求逐個增加防護、濾波等外圍。對于CAN總線要不要加共模電感,我們主要從電磁兼容方面考慮。

      1、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。圖中的驅動器及接收器為差分信號傳輸,類似CAN總線。差模干擾產生于兩條傳輸線之間,共模干擾則在兩條線中同時產生,其電勢是以地為參考。




      圖 1  差模干擾及傳輸路徑




      圖 2  共模干擾及傳輸路徑

      共模電感是在一個磁環的上下兩個半環上,分別繞制相同匝數但繞向相反的線圈。共模干擾是相同的,所以在磁環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。對于差模信號在磁環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差模信號有略微影響。共模電感本質上是一個雙向濾波器,一方面濾除信號線上的共模信號干擾,另一方面抑制信號線本身不向外發出電磁干擾。圖 2中的干擾信號則能很好地被共模電感抑制,而差分信號則幾乎無影響。

      2、CAN總線特性

      CAN收發器內部CANH、CANL分別為開源,開漏輸出形式,驅動電路如圖 3所示。這種方式可以使總線輕松實現顯性電平的驅動,而隱性電平則通過終端電阻放電來實現。





      圖 3  CAN收發器驅動電路

      總線固有的差分傳輸形式使得CAN對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并非理想對稱,快速上升的跳變沿,這些均會帶來EMC問題。我們通過示波器看總線波形很完美,測試靜電,EFT,浪涌,傳導騷擾抗擾均無異常。但測試傳導發射,則不能滿足限值要求,看起來很正常的總線實際卻向外在發送傳導干擾。




      圖 4  CAN傳輸波形

      3、為什么要加共模電感?

      對于CAN接口的EMC問題,除了選用更好性能,符號要求的CAN收發芯片,另一種簡單的方法就是對CAN接口增加外圍,共模電感是一種很好的選擇。在現有汽車電子CISPR 25標準中,對傳導騷擾限值有很嚴格要求。許多CAN收發器均會超過限值。如圖 5分別為按照車規限制測試增加和不加共模電感的CAN接口傳導騷擾,共模電感值為51μH,可以看到在各個頻段下對噪聲改善較為明顯,測試結果仍有很大裕量。




      圖 5  傳導騷擾測試

      共模電感對降低傳導騷擾有明顯作用,可幫助我們快速通過測試要求,滿足現有汽車用要求,但總線增加共模電感也會帶來兩個問題:諧振和瞬態電壓。共模電感不可避免地會有寄生電感,直流電阻,考慮總線節點數,通信距離等因素,會引起諧振,影響總線信號質量,如圖 6,綠色波形為增加共模電感的總線波形,信號下降沿已有明顯的諧振。另外,共模電感感量較大,且直接節在收發器接口,實際應用中出現短路,熱插拔等狀態會使共模電感兩端產生瞬態高壓,嚴重時會直接損壞收發器。





      圖 6  增加共模電感的CAN波形

      4、總結

      共模電感用于總線的優缺點較為明顯,它可以濾除信號線的共模電磁干擾,衰減差分信號高頻部分,抑制CAN接口自身向外發出的電磁干擾,在傳導騷擾方面有很好地改善作用,但應用仍要考慮其帶來的諧振與瞬態電壓,這些在長距離,多節點通訊中對總線信號質量是不利的,對于一般工業應用對傳導發射并無嚴格要求,因此可不增加共模電感。
      ZLG致遠電子基于多年的總線防護設計積累推出了高防護等級隔離模塊——CTM1051(A)HP系列。該系列符合國際ISO11898-2標準,靜電防護等級可達接觸±8kV,空氣放電±15kV,浪涌防護可達±4kV隔離CAN解決方案,具體如下圖7所示,能夠適用于各種惡劣的工業現場環境。應用簡便,即插即用,應用原理圖如下圖8所示。




      圖7  CTM1051(A)HP的EMC性能


       

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