共模扼流圈,是不是CAN噪声抑制的唯一选择?

时间:2018-05-31 09:17来源:得捷电子DigiKey

摘要:​CAN(ControllerAreaNetwork,控制器局域网络)通讯协议可以使用平衡的差分信号以高达1Mbps数字传输。在理想情况下,使用差分信号可以防止任何噪声耦合,每半个差分对(称为CANH和CANL)和它们各自的噪声的对称变化相互抵消。

 

CAN (Controller Area Network,控制器局域网络) 通讯协议可以使用平衡的差分信号以高达1Mbps数字传输。在理想情况下,使用差分信号可以防止任何噪声耦合,每半个差分对 (称为CANH和CANL)和它们各自的噪声的对称变化相互抵消。
 
但是,没有CAN收发器是完美的,这是由于微小的非对称CANH和CANL信号的存在可能导致差分信号的不完全平衡。发生这种情况时,共模 (CANH / CANL的平均值)的CAN信号将不再是恒定的直流值。相反,它的数值会与噪声相关。
 
在CAN协议电路中为什么需要共模扼流圈 (Common Mode Choke)?最主要因素是收发器内CANH/CANL 两者的“稳定状态共模电压电平 (Steady-State Common-Mode Voltage Level)”及时间值的输出差异。这是发射器内半导体级的问题,难以避免,在高频环境下影响更明显。为了减少输出噪声的后续影响,有必要考虑外部滤波器元件。
 
使用共模扼流圈的利与弊
共模扼流圈是CAN通讯协议中最常用的滤波器组件。
 
 
图1,CAN收发器的CANH/ CANL与扼流圈连接图
 
共模扼流圈简单易用,能有效解决CAN收发器输出噪声问题。该元件由两个线圈组成,两个差分信号通过线圈产生磁通量(magnetic fluxes),使两个差分信号相互抵消。因此不会有净通量积累在核心,就好像在同步输出之前短路CAN信号一样。这方法也增加了共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR) 。
 
共模抑制比是模拟电路差分系统中,一个用于衡量其抑制两端输入信号共模部分的一个参数,以dB为单位数值。以方程表达:

CMRR =差分增益/共模增益
 
CMRR数值愈高,表示系统的信号放大率提高时共模的影响会愈趋减少。下图是一典型量度差分放大系统的CMRR。当中就算电阻器对之间有0.1%的失配 (mismatch) ,将导致CMRR的dB会急遽下跌。由于扼流圈两端阻抗等同,故系统中的CMRR相比较其他滤波方法还是具有优势。
 
 
图2,典型共模抑制比(CMRR)测试电路
 
另外,扼流圈的电感效应与CAN收发器的输出阻抗配合——当总线处于隐性状态(recessive state) 时,为信号提供高阻抗;当总线处于主导状态(dominant state) 时,为差分信号提供低阻抗优化。
 
然而,增加一个共模扼流圈也有一些缺点。一般来说,共模扼流圈可能会产生信号完整性问题,例如信号损耗或串优 (crosstalk),及其中最严重的意外后果是因电感式反激产生极高的瞬态电压,使CAN总线连接到直流电压,导致高瞬态电压(High Transient Voltage) 。不幸的是,其瞬态响应是受到终端、总线负载、直流短路、电压电平、布线和其他影响,所以很难完全消除、防范或预测。
 
抑制瞬态高压
由于瞬态电压是产生于共模扼流圈和收发器之间,如图3的线路中,在两者之间加上TVS齐纳二极管作为“瞬态保护器”。这样,除了有效压制收发器与扼流圈之间的高瞬变电压,也能实现保护收发器免受高脉冲破坏。
 
 
图3,CANH/CANL、扼流圈与瞬态保护器连接图
 
使用此电路,瞬态电压可以在控制下被充分压制。在选择正确的保护装置时,请留意齐纳二极管响应速度必须足够快以钳制瞬态电压。此外,齐纳二极管的电容值也必须考虑。如果电容值太高,瞬态电压会与扼流圈的电感一起工作并在总线上产生振铃信号(ringing signal)。虽然这种振铃不会损坏CAN信号,但它好像电磁一样,会形成更高的发射频率。
 
新趋势:无扼流的CAN设计
“分离终端(split termination)”是现在较普遍的解决方案,大多数生产商都能提供应用线路的方案。分离终端电路是由两个相等值的分流电阻和一个旁路电容组成,电容连接在电阻和GND之间,形成两个低通滤波器,将高频嘈声引向地面。请注意,两个电阻必须接近相同的值。但由于缺少了改善共模抑制比及阻抗优化,也没有瞬态保护,所以仍有工程师会继续使用扼流圈,并将两者合并使用,以TI公司收发器为例,其建议的线路图如下所示:
 
 
图4,CANH/CANL、扼流圈、瞬态保护器与分离终端连接图
 
2.也有芯片制造商希望从半导体设计和制造开始,严格控制芯片本身,以确保CAN总线波形的平衡。例如,TI的TCAN1042系列希望帮助工程师减少对扼流圈的依赖。
 
 
图5,TI TCAN1042功能框图
 
总结
使用共模扼流圈作为CAN系统收发器的滤波元件,可能在CANH/CANL差分信号造成高瞬态电压,损坏系统,这是由于受电感值、CAN系统架构、终端及元件位置等不同因素影响造成的,所以很难完全消除,防范或预测。以下建议有助避免共模扼流圈对系统产生不良影响:
 

• 尽量只使用“分离终端”作为滤波器;
• 如果必须使用共模扼流圈,建议在CANH/CANL引脚与共模扼流圈之间增加一个“瞬态保护器”以抑制瞬态电压。
 
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