CAN設(shè)計(jì)中如何應(yīng)對(duì)電壓和功率挑戰(zhàn)?

本文討論了一些CAN設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，重點(diǎn)是功耗和在CAN應(yīng)用中使用多個(gè)電壓軌進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在“克服CAN設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)”的第一期中，我討論了設(shè)計(jì)和端接控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。在第二部分中，我將重點(diǎn)介紹功耗和在CAN應(yīng)用中使用多個(gè)電壓軌進(jìn)行設(shè)計(jì)。

計(jì)算CAN收發(fā)器中的功耗并不像看起來(lái)那樣簡(jiǎn)單，而在收發(fā)器周圍添加多個(gè)電壓軌只會(huì)增加這種復(fù)雜性。此外，對(duì)于所有不同類型的CAN收發(fā)器，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己選擇了錯(cuò)誤的收發(fā)器，或者在系統(tǒng)中添加了不必要的電壓軌。

問(wèn)題1：如何計(jì)算處于活動(dòng)狀態(tài)的CAN收發(fā)器的功耗？

CAN收發(fā)器的功耗涉及多個(gè)方面。圖1以藍(lán)色顯示了設(shè)備處于隱性狀態(tài)時(shí)為設(shè)備供電所需的靜態(tài)電流部分，以紅色顯示了驅(qū)動(dòng)CAN總線的主導(dǎo)電平所需的部分靜態(tài)電流。

圖1.CAN收發(fā)器的電流流，顯示為設(shè)備供電所需的靜態(tài)電流。

正確評(píng)估CAN收發(fā)器的功耗要求您知道/假定/測(cè)量收發(fā)器處于每種總線狀態(tài)的時(shí)間以及以下參數(shù)：

總線處于隱性狀態(tài)時(shí)，收發(fā)器的電流消耗。

總線處于顯性狀態(tài)時(shí)，收發(fā)器的電流消耗。

總線處于顯性和隱性狀態(tài)的總時(shí)間百分比。

優(yōu)勢(shì)狀態(tài)下的差分輸出電壓。

VCC電源電壓。

VIO電源電壓（如果存在VIO引腳）。

輸入/輸出（I / O）電源電流（如果存在VIO引腳）。

在此計(jì)算中，收發(fā)器在兩種狀態(tài)下的電流消耗以及總線在兩種狀態(tài)下的時(shí)間量都是不言自明的。由于兩種狀態(tài)下的電流消耗都大不相同，并且在通信過(guò)程中CAN總線狀態(tài)一直在變化，因此總線處于隱性或顯性狀態(tài)的時(shí)間量將嚴(yán)重影響收發(fā)器的功耗。

在顯性狀態(tài)下的差分輸出電壓是必要的，因?yàn)閺腣CC電源消耗的某些功率將通過(guò)終端電阻。了解該電阻的壓降將幫助您確定通過(guò)該電阻消耗了多少電流。

隱性狀態(tài)下的差分輸出電壓不是必需的，因?yàn)楫?dāng)總線處于隱性狀態(tài)時(shí)，電阻兩端不應(yīng)有明顯的壓降（或根本沒(méi)有壓降）。CANH和CANL如果彼此之間的精確電壓不同，則應(yīng)在數(shù)十毫伏的范圍內(nèi)。沒(méi)有電流通過(guò)電阻，并且收發(fā)器沒(méi)有向總線傳送大量功率。

公式1表示所有這些變量后的功耗公式：

P = [（1-D）* IREC * VCC] + [D * IDOM *（VCC-VOD）]

公式2表示具有VIO引腳的收發(fā)器的公式：

P = [（1-D）* IREC * VCC] + [D * IDOM *（VCC-VOD）] + VIO * IIO

其中P是功率，D是總線處于顯性狀態(tài)的時(shí)間百分比，VCC是收發(fā)器的電源，IREC是處于隱性狀態(tài)的VCC的電流消耗，IDOM是處于顯性狀態(tài)的VCC的電流消耗， VOD是處于顯性狀態(tài)的總線輸出差分電壓，VIO是設(shè)備的IO電壓（如果有VIO引腳），而IIO是設(shè)備的I / O電流。

讓我們以TCAN1042CAN靈活數(shù)據(jù)速率（CAN-FD）收發(fā)器為例，并假設(shè)該設(shè)備50％的時(shí)間處于顯性狀態(tài)，而50％的時(shí)間處于隱性狀態(tài)。VCC = 5 V，IREC = 1.5 mA，IDOM = 40 mA，VOD = 2.25 V和D = 0.5，將這些值代入公式1可得出：

P = [（1-0.5）* 1.5 * 5] + [（0.5）* 40 *（5-2.25）] = 3.75 mW + 55 mW = 58.75 mW

如您所見(jiàn)，計(jì)算功率并不總是一個(gè)直觀的過(guò)程，但是可以通過(guò)使用正確的參數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。

問(wèn)題2：5V和3.3V CAN收發(fā)器可以一起在同一總線上運(yùn)行嗎？

簡(jiǎn)短的回答是，他們可以。所有3.3V CAN收發(fā)器均設(shè)計(jì)為具有隱性電平以及顯性和隱性閾值，以便它們可以正確地從5V或3.3V CAN收發(fā)器發(fā)送和接收消息。在3.3V CAN收發(fā)器設(shè)備系列中，有兩個(gè)隱性電平：1.85 V和2.3V。

像SN65HVD230這樣的3.3V汽車CAN總線收發(fā)器具有2.3V隱性電平，旨在與5V CAN收發(fā)器一起最佳工作。其他產(chǎn)品，如帶有CAN-FD的3.3V CAN收發(fā)器，如TCAN330，也可以與5V CAN收發(fā)器一起很好地工作，但是它們的隱性電平為1.85V，以最大程度地減少單個(gè)設(shè)備的電磁干擾。諸如樓宇和安全自動(dòng)化以及氣候控制系統(tǒng)之類的工業(yè)應(yīng)用將使用3.3V收發(fā)器，這是因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)于5V CAN可以節(jié)省電能，并且在這些類型的系統(tǒng)中僅提供3.3V電壓。

問(wèn)題3：如果您的MCU使用3.3V作為邏輯電源，您是否需要3.3V CAN收發(fā)器？

除非您使用3.3V CAN總線，否則不需要3.3V CAN收發(fā)器。3.3V CAN收發(fā)器與能夠接受3.3V邏輯電平的CAN收發(fā)器之間存在差異。3.3V CAN收發(fā)器使用3.3V VCC電源電壓，通常用于工業(yè)應(yīng)用中。CAN總線的參考電壓為3.3V，因此隱性和主導(dǎo)電壓與更典型的5V CAN收發(fā)器相比有所不同。

微控制器僅連接到CAN收發(fā)器的邏輯引腳，例如TXD，RXD和STB。它們不與實(shí)際的CAN總線接口。因此，如果您的MCU使用3.3V邏輯電源，則可以使用將其邏輯引腳引用到3.3V電源的CAN收發(fā)器，同時(shí)仍在5V CAN總線（例如TCAN1042V或TCAN1051V）上工作。引腳5是VIO引腳，向這些收發(fā)器上的此引腳施加3.3V電壓將使RXD，TXD和STB / S引腳使用3.3V邏輯電平。圖2顯示了此配置。

圖2.具有3.3V MCU和5V CAN收發(fā)器的CAN節(jié)點(diǎn)

結(jié)論

盡管在5V領(lǐng)域之外思考CAN似乎有些令人困惑，但是一旦您了解了不同收發(fā)器的功能，選擇合適的收發(fā)器并計(jì)算由該收發(fā)器引起的功耗就會(huì)更加容易。

原文標(biāo)題：克服CAN設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)（1）：應(yīng)對(duì)CAN電壓和功率挑戰(zhàn)

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