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四步掌握CAN节点隔离设计
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四步掌握CAN节点隔离设计
“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
“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
