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如何设计符合整车厂要求的CAN物理层接口电路?

2019-12-13 高杨 阅读:
CAN的物理层从结构上可分为三层,分别是物理信号层(PLS)、物理介质附件(PMA)层和介质从属接口(MDI)层。PMA和MDI两层有很多不同的国际或行业标准,这就使得不同零部件供应商电路在物理层接口上都各不相同。因此,如何设计符合整车厂要求的物理层接口电路,就成为需要讨论的一个重要主题。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称,目前已经成为车载控制器的必备接口和标准协议,目前有着广泛的应用。由于CAN这个主题的涉及范围比较多,我们仅仅对物理层展开讨论。C7Bednc

CAN总线的物理层是将车载控制器连接至总线的驱动电路。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程,主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义,但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义,设计车载控制器的CAN电路时,物理层电路具有很大的选择余地。C7Bednc

物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看,CAN的物理层可分为三层,分别是物理信号层(Physical Layer Signaling,PLS)、物理介质附件(Physical Media Attachment,PMA)层和介质从属接口(Media Dependent Interface,MDI)层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成,PMA层功能由CAN收发器完成,MDI层定义了电缆和连接器的特性。PMA和MDI两层有很多不同的国际或行业标准,比较流行的是ISO11898协议定义的高速CAN发送/接收器标准,但也可自行定义,这就使得不同零部件供应商电路在物理层接口上都各不相同。C7Bednc

正因为如此,如何设计符合整车厂要求的物理层接口电路,从而能够通过整车厂的设计评审及工程验收,就成为需要讨论的一个重要主题。C7Bednc

本文讨论三种CAN物理层接口电路的设计:C7Bednc

(1)带有齐纳二极管的CAN物理层接口;C7Bednc

(2)带有压敏电阻器的CAN物理层接口;C7Bednc

(3)带有滤波器的CAN物理层接口(Filter Termination)。C7Bednc

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图1:带有齐纳二极管的CAN物理层接口。C7Bednc

(1)带有齐纳二极管的CAN物理层接口

1可以看到,带有齐纳二极管的CAN物理层接口可以划分成三个元件功能区域,分别是终端元件、可选元件和ESD元件。终端元件中包含R1、R2和C4,可选元件是0Ω的电阻,ESD元件包含C2、C3、Z1和Z2。下面就详细介绍每一个元器件的作用(见1)和设计注意事项。C7Bednc

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表1:带有齐纳二极管的CAN物理层接口的元器件的作用。C7Bednc

下面来介绍设计注意事项:C7Bednc

C1(VCC):在这里,C1有两种可能的放置位置,如果是在控制器内部的C1,只需要满足容量>90nF,电压>16V耐压等级就可以。C7Bednc

C1(VBAT):如果是第二种情况,即这里是一颗SBC(系统基础芯片),则是有更高的选型要求。容量>90nF±10%,电压>100V耐压,注意这时候C1的电容是直接接到电池的正端,需要采用满足Flexisafe或者等效功能的电容来设计。C7Bednc

C2、C3:这两个电容在这里是作为ESD的防护电容来工作的。需要选择容值在100pF±10%,额定工作电压>50V的电容。还需要注意的是在PCB布线的时候,C2、C3必须尽可能地靠近连接器(小于10mm),这样才有更好的ESD保护效果。C7Bednc

Z1、Z2:这两个齐纳二极管同样是作为ESD保护的作用。需要选用击穿电压在27V的齐纳二极管,这样才可以使外部的高电压在经过齐纳二极管到达CAN_H和CAN_L的PIN脚电压时不至于击穿CAN收发器。以TJA1054A(NXP公司)为例,数据手册(见2)中显示CAN_H和CAN_L的最大值耐受电压为+40V,最小值耐受电压为-27V,这也就是为何要用双向的齐纳二极管将外部电压钳位在±27V之间的原因。还需要注意的是在PCB布线的时候,Z1、Z2必须尽可能靠近连接器(小于10mm),这样才有更好的ESD保护效果。C7Bednc

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图2:TJA1054A(NXP公司)的数据手册(部分)。C7Bednc

R1、R2:这两个是CAN网络的终端电阻,需要选择±1%精度的电阻,并且要保证R1+R2=118–132Ω(包括容差,这个值不同的整车厂有不同的要求,此处的值来自于Ford的需求标准),考虑到R1和R2会在最差情况下短路到电源和降等级设计的要求,需要将R1和R2的额定功率选为250mW。C7Bednc

C4:终端滤波容,用来滤除在终端电阻R1和R2上的耦合噪声。此处选择4.7nF±10%、50V的耐压等级。C7Bednc

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图3:带有压敏电阻器的CAN物理层接口。C7Bednc

(2)带有压敏电阻器的CAN物理层接口

3可以看到,带有压敏电阻器的CAN物理层接口可以划分成三个元件功能区域,分别是终端元件、可选元件和ESD元件。终端元件中包含R1、R2和C4,可选元件是个0W的电阻,ESD元件包含V1和V2。下面就详细介绍每一个元器件的作用(见2)和设计注意事项。C7Bednc

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表2:带有压敏电阻器的CAN物理层接口元器件的作用。C7Bednc

下面来介绍设计注意事项:C7Bednc

C1(VCC):参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1(VCC)的说明。C7Bednc

C1(VBAT):参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1(VBAT)的说明。C7Bednc

V1、V2:这两个压敏电阻器是作为ESD保护作用。需要选用击穿电压在±27V的压敏电阻器,这样才可以使外部的高电压在经过压敏电阻器到达CAN_H和CAN_L的PIN脚电压时不至于击穿CAN收发器。同样以TJA1054A为例,数据手册(见2)中显示CAN_H和CAN_L的最大值耐受电压为+40V,最小值耐受电压为-27V,压敏电阻器将外部电压钳位在±27V之间。还需要注意的是在PCB布线的时候,V1、V2必须尽可能靠近连接器(小于10mm),这样才有更好的ESD保护效果。C7Bednc

R1、R2:参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对R1、R2的说明。C7Bednc

C4:参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C4的说明。C7Bednc

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图4:带有滤波器的CAN物理层接口。C7Bednc

(3)带有滤波器的CAN物理层接口

4可以看到,带有滤波器的CAN物理层接口可以划分成两个元件功能区域,分别是终端元件和ESD元件(这个与带有齐纳二极管和带有压敏电阻器的接口电路有所不同)。终端元件中包含C2、C3和R1,ESD元件包含C4、C5、Z1和Z2。但目前此类CAN物理层接口不是很常见。下面就详细介绍每一个元器件的作用(见3)和设计注意事项。C7Bednc

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表3:带有滤波器的CAN物理层接口的元器件的作用。C7Bednc

下面来介绍设计注意事项:C7Bednc

C1(VCC):参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1(VCC)的说明。C7Bednc

C1(VBAT):参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1(VBAT)的说明。C7Bednc

C2、C3:注意此处的电容为终端电容,不是ESD电容。需要选用220pF±10%,耐压等级>50V的器件。C7Bednc

C4、C5:参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C2、C3的说明。C7Bednc

R1:注意此处只用了一个终端电阻,其取值范围在59~66Ω之间(包括容差,这个值不同的整车厂有不同的要求,此处的值来自于Ford的需求标准),考虑到R1会在最差情况下短路到电源和降等级设计的要求,需要将R1的额定功率选为250mW。C7Bednc

Z1、Z2:参照第(1)部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对Z1、Z2的说明。C7Bednc

综上所述,除了以上的设计需求,还有以下的一些注意事项(并不区分先后顺序和优先级)在设计中必须同等对待。C7Bednc

● CAN收发器的布局位置必须尽可能地靠近车载控制器的连接器,其他的IC不允许放置在CAN收发器的附近。C7Bednc

● CAN收发器的地,以及输入电容、齐纳二极管和压敏电阻器的地都应该和车载控制器共地。C7Bednc

● C1电容必须尽可能地靠近CAN收发器的电源脚(VCC/VBAT)。C7Bednc

● C1、C2、C3和C4必须是MLCC电容或等效的器件。C7Bednc

● R1和R2必须用单个电阻来满足阻值以及容差的要求,不允许用多个串联的方式来满足阻值的要求。C7Bednc

● CAN_H/CAN_L的引脚到达车载控制器的连接器必须尽可能地短而且保持平行(side-by-side),可靠的布线规则是让CAN_H/CAN_L、TXD和RXD保持在PCB的同一层。C7Bednc

● 所有ESD电容必须尽可能地靠近车载控制器的连接器。C7Bednc

本文为《电子技术设计》2019年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里C7Bednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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