CAN总线的设计与分析

通信

在与控制器区域网络 (CAN) 通信总线互连的汽车和工业系统中，使用的控制器数量正在不断增加。对于设计人员来说，这意味着他们必须考虑宽频率范围内的电噪声环境——从高频辐射电磁干扰 (EMI) 到共模传导干扰，以及电机、继电器等各种负载的连接和断开及交流发电机 / 发电机的启停引起的电压尖峰。虽然 CAN 总线适用于恶劣的电气环境，但如果没有适当的保护，它们很容易出现各种故障模式。

本文说明了 CAN 故障的潜在原因，并介绍了常见的隔离技术。然后文中介绍了来自 Texas Instruments、RECOM Power、NXP Semiconductors 和 Analog Devices 等供应商的解决方案（设计人员可使用这些解决方案保护 CAN 设备），以及如何有效实施这些解决方案（包括使用评估板）的指导。提供的解决方案包括分立实施方案（即基于单个 CAN 收发器）以及基于单芯片和双芯片隔离 CAN 总线设计的集成解决方案。

故障的原因和隔离的必要性
CAN 总线故障可能由多种原因引起：子系统之间的接地电势差；共模能量和辐射能量等一般噪声源；以及配电总线上的高压噪声和尖峰。为确保汽车和工业系统中 CAN 总线互连器件的稳健运行，需要两种隔离类型：

与电源总线隔离
连接各子系统的通信总线的隔离
与集成解决方案相比，电源和信号路径单独隔离的解决方案通常成本更低，效率更高。这些解决方案还使设计人员能够独立优化两条路径的隔离电平。设计人员可自由选择最适合具体应用的隔离技术类型。选择包括磁隔离、光隔离和电容隔离。有关各种隔离选择的详细讨论不在本文的讨论范围内，但为了更好地了解，请参阅“How to Select the Right Galvanic Isolation Technology for IoT Sensors”。

基本电气绝缘（使用绝缘材料）与强化绝缘之间也有区别。所需的绝缘水平取决于所涉及的电压电平，以及是否存在从可接触部件到地面的连接。基本绝缘提供一级防电击保护。电压大于 60 V DC 或 30 V AC 的系统视为危险系统，需要至少一级保护。系统不一定具有故障保险措施，但任何故障都将限制在系统内。强化或双重绝缘可提供两级保护。这样可以在发生故障时确保用户的安全。接入市电电压的系统要求具有强化绝缘。

隔离解决方案之间的设计权衡
CAN 总线系统中的隔离选项包括电源和信号分别隔离的分立解决方案，以及完全集成的电源和信号隔离解决方案。集成解决方案还可包括相关保护功能，如高静电放电 (ESD) 鲁棒性和射频 (RF) 抗扰度，从而使其可以在汽车和工业应用中使用，而无需额外的保护器件，例如瞬态电压抑制器二极管。

在这些不同的解决方案选项之间存在尺寸与效率的性能权衡。就解决方案尺寸而言，单芯片解决方案是最小的，典型封装约为 330 平方毫米 (mm2)。双芯片解决方案较大，通常约为 875 mm2。由于外部 DC-DC 转换器和所需支持元器件的尺寸，分立解决方案要大得多，典型尺寸约为 1,600 至 2,000 mm2。

此外，还有效率的权衡，解决方案越大往往效率明显更高。但是，由于所涉及的功率水平往往相当低（最高 15 毫安 (mA) 下 3 至 5 V），因此热冲击在设计中可能并不重要。单芯片和双芯片解决方案的效率范围为 50% 至 60%，使用外部 DC-DC 转换器的分立隔离解决方案的效率可高达 75% 至 80%。

CAN 收发器的分立隔离解决方案
隔离式 CAN 收发器是相对简单的器件。例如，考虑一下 Texas Instruments 的 ISO1042DWR 隔离式 CAN 收发器，其具有 70 V 总线故障保护和灵活的数据速率（图 1）。该 ISO1042DWR 器件提供基本或强化隔离选择。基本 ISO1042 收发器设计用于工业应用。

图 1：ISO1042 隔离式 CAN 收发器提供基本或强化电隔离选择。（图片来源：Texas Instruments）

ISO1042 在 CAN 灵活数据速率 (FD) 模式下支持最高 5 Mbps 的数据速率，数据传输速度与传统 CAN 相比要快得多。该器件使用二氧化硅 (SiO2) 绝缘片，耐压能力为 5000 Vrms。ISO1042 使设计人员能够根据个别应用的具体需求选择最优的总线保护器件。配合隔离式电源使用时，该器件能够防止数据总线或其它电路中的噪声电流进入本地接地，以避免干扰或损坏敏感电路。

这些隔离式 CAN 收发器具有多种安全相关的认证（对于任何提供强化和 / 或基本隔离选项的器件而言，这些都是重要的安全标准和认证）：

符合 DIN VDE V 0884-11:2017-01 的 7071-VPK VIOTM 和 1500-VPK VIORM（强化和基本选项）

根据 UL 1577 标准长达 1 分钟的 5000-VRMS 隔离能力

IEC 60950-1、IEC 60601-1 和 EN 61010-1 认证

CQC、TUV 和 CSA 认证

对于考虑 ISO1042 的设计人员，有两种评估板选择。Texas Instruments 提供的 ISO1042DWEVM 评估模块使工程师能够评估采用 16 引脚宽体 SOIC 封装（封装代码 DW）的高性能、强化隔离型 CAN ISO1042。EVM 是一种双芯片解决方案，具有足够的测试点和跳线选项，可以用最少的外部元器件来评估器件。

RECOM Power 面向 ISO1042 提供了 R-REF03-CAN1 评估板。R-REF03-CAN1 评估板展示了由 R1SX-3.305/H 隔离式 DC-DC 转换器供电的 ISO1042 隔离式 CAN 收发器。要为参考板供电，仅需要一个 3.3 V 外部电源。通过该参考板，设计人员能够快速开发和分析隔离系统。

Texas Instruments 的 ISO1042 专为工业 CAN 应用而优化，而 NXP 的 TJA1052i 高速 CAN 收发器则专门针对电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV)，它们的高低压部件之间需要电隔离栅（图 2）。

图 2：NXP 的 TJA1052i 针对电动和混合动力车辆进行了优化。（图片来源：NXP Semiconductors）

TJA1052i 设计用于锂离子 (Li-ion) 电池管理、再生制动和 48 V 至 12 V 电平位移。该器件还可用于皮带淘汰项目中高压按需泵和电机的隔离。通过 AEC-Q100 认证的 TJA1052i 实现了 ISO 11898-2:2016 和 SAE J2284-1 至 SAE J2284-5 中定义的 CAN 物理层 (PHY)。提供三种隔离级别：1 千伏 (kV)、2.5 kV 和 5 kV。与 ISO1042 一样，TJA1052i 也需要一个外部隔离电源。

集成电源和信号隔离解决方案
虽然分立 DC-DC 转换器实施方案通常比同等集成方案效率更高，但集成解决方案具有以下优点：

电路板面积小

认证更容易

设计简单

来自 Analog Devices 的 ADM3055E/ADM3057E 是 5 kV rms 和 3 kV rms 隔离式 CAN 收发器，带有集成隔离式 DC-DC 转换器（图 3）。

图 3：ADM3055E/ADM3057E 隔离式 CAN 收发器集成电源和信号隔离。（图片来源：Analog Devices）

这些器件采用 5 V 单电源供电，为 CAN 和 CAN FD 提供了完全隔离的解决方案。通过连续调整开关频率，DC-DC 转换器高频开关的辐射性放射被限制在 EN 55022 B 类限值以下。5 kV rms 隔离电压、10 kV 浪涌测试及 8.3 mm 爬电距离和间隙安全和监管认证（在撰写本文时待批），确保 ADM3055E 满足应用的强化隔离要求。ADM3057E 采用 20 引线宽体 SOIC 封装，具有 3 kV rms 的隔离电压和 7.8 mm 的爬电距离。

为了支持基于 ADM3055E/ADM3057E 的设计开发工作，Analog Devices 提供了 EVAL-ADM3055EEBZ 评估板。ADM3055E 和 ADM3057E 集成了逻辑侧开关键控 (OOK) 信号隔离通道和 Analog Devices 的 isoPower DC-DC 转换器，在采用表面贴装铁氧体磁珠的双层印刷电路 (pc) 板上传输时，可提供远低于 EN55022 B 类限值的稳压隔离电源。

Texas Instruments 提供了一种不同的 CAN 通信电源和信号隔离方法，该方法基于双芯片解决方案，使用 ISOW7841、双通道隔离数据和电源器件，以及 CAN 收发器 TCAN1042H（图 4）。

图 4：这种双芯片解决方案在一个芯片（左）中提供电源和信号隔离，在第二个芯片（右）中提供 CAN 通信。（图片来源：Texas Instruments）

将变压器集成在 ISOW7841 芯片内部，不仅在 x 和 y 维度上，而且在 z（高度）维度上也节省了空间。要评估 ISOW7841，可使用 ISOW7841EVM 评估模块。当使用两个芯片时，可以将 ISOW7841 器件放在电路板的一侧，而将 CAN 器件放在另一侧，从而减少电路板的整体空间。

这种双芯片解决方案的设计不需要任何额外元器件来产生隔离电源，相比使用分立变压器产生所需隔离电源的解决方案，该隔离解决方案的尺寸不到其四分之一。一个相关的参考设计采用 3 V 至 5.5 V 的单电源输入，数字信号参考电路板一侧的输入电源电平。然后，ISOW7841 利用集成的 DC-DC 转换器产生隔离电源，用于为电路板另一侧的 CAN 收发器供电。电路板电源侧的信号被隔离并连接到 CAN 收发器，后者将单端数字信号转换为差分 CAN 格式。

总结
为了保护 CAN 总线免受子系统之间的接地电势差、共模能量和辐射能量等一般噪声源，以及配电总线上的高压噪声和尖峰导致的潜在故障影响，电源和信号隔离必不可少。

如上所述，CAN 总线系统的隔离选择包括电源和信号单独隔离的分立解决方案，以及完全集成的电源和信号隔离解决方案，后者还可包括相关保护功能，从而使其可以在汽车和工业应用中使用，而无需额外的保护器件，例如抑制二极管。