四步掌握 CAN 节点隔离设计

时间:2017-11-16 10:44来源:ZLG致远电子

摘要:本文为大家总结CAN隔离模块在使用中需要注意的细节,帮助大家搭建更可靠的CAN总线网络。

各位工程师在工业通讯现场最担心遇到什么?通信干扰!CAN 隔离模块能够有效解决 CAN 总线通信干扰问题,且较分立器件方案使用更简便。本文为大家总结 CAN 隔离模块在使用中需要注意的细节,帮助大家搭建更可靠的 CAN 总线网络。

“隔离”是模块为 CAN 节点设备提供可靠数据传输的首要保障,通常隔离模块的“隔离”是指模块上电后,能为节点提供信号隔离及电源隔离,隔离电压等级以 2500VDC、3500VDC 为主。本文将从 CAN 隔离模块的前级电源保护、后级接地、总线保护电路以及实际组网四个层面出发,全方面的介绍模块的使用细节,帮助大家搭建稳定、可靠的 CAN 总线网络。

1. 前级电源保护
模块的初级接口是面对控制信号部分,供电电源通常与 CAN 控制器或 MCU 保持一致,这种情况下电源端口建议增加 10μF 滤波电容。有些应用是模块的电源和总线一起传输过来,比如20个节点中每个节点的电源和 CAN 信号线一起布线,节点共用一个电源,或模块没有单独的稳压供电电源,这种情况必须为模块电源增加 TVS 保护及滤波电容,并且确保电源与信号共地,如下图1所示。


 
图1  电源保护
 
2. 后级接地
一般在短距离,干扰小的场合,可将 CAN 收发器的 CANG 悬空处理。但在实际现场应用中 CAN 总线组网绝大多数采用屏蔽双绞线,此时需要对屏蔽层接地。若接地节点为金属机壳,且该节点的初级系统已经接地,这种情况下 CAN 端口的屏蔽层应该通过一个 1000pF 电容接地,电容耐压值大于模块隔离耐压。电路示意如图2所示。


 
图2  CAN 端口接地示意图
 
3. 总线保护电路
模块 CAN 接口面对总线,需要更高的浪涌及静电防护等级。CTM 系列模块 CAN 接口裸机可承受 ±4kV 静电及共模 ±2kV 浪涌。若需要更高的等级可以增加浪涌防护电路。常用的有以下两种保护电路,图3、图4中的 TVS 管等效结电容约为 500~1000pF。


 
图3  桥式保护电路
 
 
图4  普通保护电路
 
图3为桥式电路,特点是等效节点电容小,测量各线之间电容小于 20pF,该电路适用于 CAN 总线节点数较多,通信速率较高的场合。

图4所示的普通电路等效节点电容则更大,测量各线之间电容为 800pF 左右,该电路适用于低速通信场合。 

共模电感:对总线共模干扰大,设备 EMI 要求高的场合,尤其是汽车行业的应用总线采用 51μH 的共模电感可有效解决问题。加入共模电感带来的问题便是引入谐振干扰。当收发器的总线信号上升下降时间较短时,共模电感与总线分布电容产生谐振,影响通讯,比如在 CAN FD 应用场合,这种谐振会影响总线的正常通讯。图5为 CTM5MFD 模块采用 ID 段 1Mbps,数据段 2Mbps 速率通讯,加入保护电路的波形,其中绿色为加入共模电感的波形,粉红色为无共模电感的波形。


 
图5  浪涌电路加入电感波形对比
 
除了总线分布参数带来的影响外,模块本身的 CAN 差分信号也会影响谐振电压幅值。CAN 收发器满足以下两个条件,可有助于降低谐振电压幅值。

1) CANH、CANL 信号要同步,且对称性好;
2) CANH、CANL 构成的差分电压信号上升、下降斜率小;

4. 实际组网。
通用 CAN 隔离模块多数有显性超时保护,模块的最低波特率被限制为 40kbps,模块组网时最大通信距离应为1公里。当总线通信最大波特率确定后,组网的总线长度及分支长度应不超过表1限制。


表1  不同波特率下的网络长度
 
 
普通应用组网可参考 CTM 系列隔离收发器数据手册中已经给出的推荐组网方式,即采用单层屏蔽双绞线。下面给出采用双层屏蔽双绞线的参考组网方式。这种方式为三线传输方式,传输效果及抗干扰性最好。组网时双绞线外屏蔽层单点接大地,内屏蔽层及双绞线连接每个收发器的 CANG 、CANH、CANL,每个 CAN 节点的 CANG 通过 1000pF 电容接设备机壳。

图6  三线传输组网示意图
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