確保EMC高性能：利用無扼流圈收發(fā)器簡化CAN總線

雖然有很多不同的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)互連標(biāo)準(zhǔn)，并且汽車原始設(shè)備制造商 (OEM) 對于EMC也有多種不同的要求，這篇文章主要討論一個已經(jīng)被證明具有特別挑戰(zhàn)性的話題：一個控制器局域網(wǎng) (CAN) 總線的射頻 (RF) 放射。

CAN使用均衡的差分信令來發(fā)送波特率，高達(dá)1Mbps(或者更高，前提是使用“靈活數(shù)據(jù)速率”變量)的二進制數(shù)據(jù)。理想情況下，差分信令的使用避免了所有外部噪聲耦合。由于每一半差分對(被稱為CANH和CANL)在變化時是對稱的，它們的噪聲帶來的干擾是具有破壞性的。然而，沒有CAN收發(fā)器是完全理想的，并且CANH和CANL信號之間的低值不對稱會產(chǎn)生未經(jīng)完全均衡的差分信號。當(dāng)這一情況發(fā)生時，CAN信號的共模分量(CANH和 CANL的平均值)將不再是一個恒定的DC值。相反地，它將表現(xiàn)出與數(shù)據(jù)有關(guān)的噪聲。

兩個主要的不均衡類型會導(dǎo)致這個噪聲。其中一個就是顯性(被驅(qū)動)和隱性(高阻抗)狀態(tài)期間穩(wěn)定狀態(tài)共模電壓電平之間的不匹配。

這個穩(wěn)定狀態(tài)不匹配會導(dǎo)致一個類似于CAN數(shù)據(jù)本身縮放版本的噪聲圖形。這個噪聲圖形在它的頻譜內(nèi)很寬，表現(xiàn)為一系列延伸至極低頻率且間隔均勻的離散頻譜線。定時不匹配會導(dǎo)致一個由短脈沖或干擾組成的噪聲圖形，只要數(shù)據(jù)中有邊緣變換，它就會出現(xiàn)。這個噪聲圖形的頻譜含量往往集中比較高的頻率上。

圖1中的波形顯示了一個可以在典型CAN收發(fā)器的輸出上觀察到的共模噪聲。在這幅圖像中，黑色軌跡線(通道1)顯示CANH，紫色軌跡線(通道 2)顯示的是CANL，并且綠色軌跡線(數(shù)據(jù)功能)是CANH與CANL的和。這個求和的過程給出了一個波形，它的值等于此時一個指定點上共模電壓的2 倍。

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圖1：典型CAN收發(fā)器CANH/CANL輸出和共模噪聲
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　共模波形顯示出兩種噪聲類型：與顯性至隱性/隱性至顯性變換相對應(yīng)的高頻噪聲，而低頻噪聲是與不匹配的顯性和隱性共模相對應(yīng)的。

由于信號的共模部分能夠與系統(tǒng)(或與外部系統(tǒng))中的其它分量耦合在一起(通過輻射或傳導(dǎo)路徑)，這個共模噪聲直接影響放射性能。這個器件的傳導(dǎo)放射按照工業(yè)電氣工程/電子 (IBEE) 茨維考技術(shù)的工程服務(wù)進行測量；如圖2中所示，這個器件的傳導(dǎo)放射連同一個普通汽車原始設(shè)備制造商(OEM)限值線一同繪制。

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圖2：一個典型CAN收發(fā)器的傳導(dǎo)放射

這個收發(fā)器的輸出放射超過了低頻和高頻區(qū)域內(nèi)的OEM要求。為了把放射降低到令人滿意的水平，必須使用某些外部濾波。

CAN總線中最常用的濾波器組件就是共模扼流圈(如圖3中所示)。共模扼流圈的構(gòu)成方式是將兩個線圈繞在同一個鐵芯上。在每個線圈繞組方向的安排方面，要使得共模電流(也就是說，每個線圈內(nèi)的電流方向一致)具有共用同一極性的磁通量。這使得共模扼流圈可以運行為針對共模信號的電感器，從而提供一個隨上升的頻率而增加的阻抗。相反地，差分模式電流(也就是說，每個線圈內(nèi)的電流方向相反)將使它們的磁通量與反向極性相互作用。對于諸如CAN信號的均衡波形，每個線圈內(nèi)相反磁通量的幅度將會相等，因此不會在鐵芯內(nèi)累積靜磁通。這使得扼流圈運行為一個針對CAN信號的短接電路。

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圖3：共模扼流圈電路原理圖

這項技術(shù)在減少CAN總線放射方面十分有效。例如，當(dāng)用一個51μH共模扼流圈對上面不能滿足放射要求的器件進行重新測試時，性能得到極大提升(圖4)。

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圖4：典型CAN收發(fā)器(具有共模扼流圈)的傳導(dǎo)放射

然而，在添加共模扼流圈時會帶來一些缺點。使用共模扼流圈時的一個明顯劣勢就是印刷電路板上需要額外的空間，并且會產(chǎn)生多余的物料清單成本。不過，除此之外，還應(yīng)該考慮某些對CAN總線的細(xì)微影響。由于扼流圈線圈會引入某些串聯(lián)電感，當(dāng)這個電感與CAN網(wǎng)絡(luò)的寄生電容組合在一起時會生成諧振。盡管在大多數(shù)頻帶內(nèi)減少了共模噪聲，這些諧振會在諧振頻率上導(dǎo)致噪聲數(shù)量增加。可以在圖5中所示的共模噪聲波形中觀察到這個影響。

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圖5：由扼流圈電感導(dǎo)致的共模噪聲

這個窄帶噪聲特別難管理。它的幅度往往很強，并且，由于扼流圈電感和總線電容的變化，其頻率也會隨著系統(tǒng)的不同而發(fā)生變化。需要注意的是，一個共模扼流圈的電感值通常在較寬的公差范圍內(nèi)指定(比如說標(biāo)稱值的-30%到50%)。相似地，一個CAN網(wǎng)絡(luò)的總線電容將根據(jù)所使用電纜連接的類型和長度、網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量和每個節(jié)點的設(shè)計而發(fā)生變化。共模扼流圈的另外一個意外結(jié)果就是總線上增高的大瞬態(tài)電壓風(fēng)險。諸如到電源、電池電壓或系統(tǒng)接地的短接等故障情況會導(dǎo)致共模電流的突然變化。這會在短路連接/斷開，以及CAN驅(qū)動在顯性和隱性狀態(tài)之間變換時出現(xiàn)。當(dāng)流經(jīng)扼流圈電感的電流快速變化時，會在驅(qū)動器IC的CAN端子上產(chǎn)生一個較大的電壓電位。在某些情況下，這個電壓有可能超過CAN器件的瞬態(tài)過壓處理能力，并且會導(dǎo)致永久損壞。

為了在避免與共模扼流圈有關(guān)的不利影響的同時減少放射，可使用一個替代解決方案：減少CAN驅(qū)動器的共模噪聲輸出。這看起來似乎簡單而又直接，但是這需要半導(dǎo)體廠商進行仔細(xì)而又認(rèn)真的設(shè)計。隱性和顯性狀態(tài)期間的CANH和CANL電壓電平需要受到嚴(yán)格控制，以確保CAN總線波形盡可能地保持平衡。

此外，當(dāng)CANH和CANL線路在顯性和隱性狀態(tài)之間變換時，它們之間的變換時間和定時偏移需要良好匹配，以限制出現(xiàn)在高頻頻帶內(nèi)的共模噪聲?！　?/p>

針對TI TCAN1042-Q1 CAN收發(fā)器的瞬態(tài)波形如圖6中所示。圖7中給出的是相應(yīng)的放射曲線圖。

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圖6：CANH/CANL輸出和共模噪聲

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圖7：一個汽車故障保護CAN收發(fā)器的傳導(dǎo)放射

TCAN1042-Q1的良好匹配輸出級使得輸出共模噪聲極低。這使得在不使用扼流圈等外部共模濾波組件的情況下，放射性能符合OEM的要求?！?/p>

結(jié)論

雖然共模扼流圈作為一種緩解CAN總線EMC問題的方法，目前廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，全新的高性能收發(fā)器正在使共模扼流圈變得可有可無。不使用共模扼流圈，可以在避免電路諧振和電感電壓尖峰等問題的同時，使CAN總線的實現(xiàn)方式變得更小、成本更低。