共模电感用于CAN总线的作用

geren2014

在CAN节点的设计中，我们通常为了总线的通讯更为可靠，为CAN接口增加各种器件，但实际并非所有应用都需要，过多防护不仅增加成本，而且器件的寄生参数必然影响信号质量。本文将简单介绍共模电感用于总线的作用。

我们在实际应用中看到许多CAN产品会使用共模电感，但在常规测试中却看不到它对哪一项指标有明显改善，反而影响波形质量。许多工程师为了以防万一，确保可靠，会对CAN增加全面外围电路。CAN芯片已经有很好的抗静电，瞬态电压能力，有些收发器本身也有很好的EMC性能，我们在应用中可根据设计要求逐个增加防护、滤波等外围。对于CAN总线要不要加共模电感，我们主要从电磁兼容方面考虑。

1、共模电感

先介绍共模干扰，图 1、图 2分别给出了差模和共模干扰及其传输路径。图中的驱动器及接收器为差分信号传输，类似CAN总线。差模干扰产生于两条传输线之间，共模干扰则在两条线中同时产生，其电势是以地为参考。




图 1  差模干扰及传输路径




图 2  共模干扰及传输路径

共模电感是在一个磁环的上下两个半环上，分别绕制相同匝数但绕向相反的线圈。共模干扰是相同的，所以在磁环中形成的磁力线相互叠加，电感阻抗大从而起到衰减干扰的作用。对于差模信号在磁环中形成的磁力线是相互抵消的，并没有抑制作用，仅有线圈电阻及很小的漏感对差模信号有略微影响。共模电感本质上是一个双向滤波器，一方面滤除信号线上的共模信号干扰，另一方面抑制信号线本身不向外发出电磁干扰。图 2中的干扰信号则能很好地被共模电感抑制，而差分信号则几乎无影响。

2、CAN总线特性

CAN收发器内部CANH、CANL分别为开源，开漏输出形式，驱动电路如图 3所示。这种方式可以使总线轻松实现显性电平的驱动，而隐性电平则通过终端电阻放电来实现。





图 3  CAN收发器驱动电路

总线固有的差分传输形式使得CAN对于共模干扰有很好的抑制能力，如图 4所示，通过CANH、CANL相减可很好地消除来自外部的共模干扰，但CANH、CANL并非理想对称，快速上升的跳变沿，这些均会带来EMC问题。我们通过示波器看总线波形很完美，测试静电，EFT，浪涌，传导骚扰抗扰均无异常。但测试传导发射，则不能满足限值要求，看起来很正常的总线实际却向外在发送传导干扰。




图 4  CAN传输波形

3、为什么要加共模电感？

对于CAN接口的EMC问题，除了选用更好性能，符号要求的CAN收发芯片，另一种简单的方法就是对CAN接口增加外围，共模电感是一种很好的选择。在现有汽车电子CISPR 25标准中，对传导骚扰限值有很严格要求。许多CAN收发器均会超过限值。如图 5分别为按照车规限制测试增加和不加共模电感的CAN接口传导骚扰，共模电感值为51μH，可以看到在各个频段下对噪声改善较为明显，测试结果仍有很大裕量。




图 5  传导骚扰测试

共模电感对降低传导骚扰有明显作用，可帮助我们快速通过测试要求，满足现有汽车用要求，但总线增加共模电感也会带来两个问题：谐振和瞬态电压。共模电感不可避免地会有寄生电感，直流电阻，考虑总线节点数，通信距离等因素，会引起谐振，影响总线信号质量，如图 6，绿色波形为增加共模电感的总线波形，信号下降沿已有明显的谐振。另外，共模电感感量较大，且直接节在收发器接口，实际应用中出现短路，热插拔等状态会使共模电感两端产生瞬态高压，严重时会直接损坏收发器。





图 6  增加共模电感的CAN波形

4、总结

共模电感用于总线的优缺点较为明显，它可以滤除信号线的共模电磁干扰，衰减差分信号高频部分，抑制CAN接口自身向外发出的电磁干扰，在传导骚扰方面有很好地改善作用，但应用仍要考虑其带来的谐振与瞬态电压，这些在长距离，多节点通讯中对总线信号质量是不利的，对于一般工业应用对传导发射并无严格要求，因此可不增加共模电感。
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图7  CTM1051(A)HP的EMC性能




图8  应用原理图