【導讀】CAN總線技術(shù)應用越來越廣泛，但由于在工業(yè)設備、工業(yè)自動化等領(lǐng)域，電磁干擾較為嚴重，保證CAN總線的正常通信尤為重要。本文將分析搭配高速CAN FD收發(fā)器的總線網(wǎng)絡電磁干擾的原因，及具體改善方案。
CAN FD網(wǎng)絡下電磁兼容分析
在電子產(chǎn)品的設計中，電磁兼容EMC性能對系統(tǒng)的影響非常大，關(guān)系到其能正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。世界上已經(jīng)開始對電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個重要指標。
電磁兼容主要有兩方面的內(nèi)容，一個是產(chǎn)品本身對外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響，稱為電磁干擾發(fā)射EMI；另一個是對外界電磁信號的敏感程度稱為電磁敏感度EMS。干擾源、相合途徑及敏感設備是電磁兼容的三要素，缺一不可。電磁兼容的詳細內(nèi)容如圖1所示。
圖1 電磁兼容
如圖1所示，電磁干擾信號的耦合途徑有傳導和輻射兩種。而根據(jù)耦合結(jié)果不同，干擾又分為共模干擾和差模干擾,共模干擾存在于所有的信號線(包括信號線、數(shù)據(jù)線和電源線等)和地線之間，而差模干擾存在于信號線之間。
提高電磁兼容性措施的有三個方面：提高電子設備本身的EMC性能、對輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對傳導耦合采取隔離加以抑制。
1、EMC設計
系統(tǒng)主站和從站電路板的設計對系統(tǒng)的EMC至關(guān)重要,而一個電路板的電磁輻射能力和接收能力往往是一致的。因此，在提高電路板抗干擾能力的同時，也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設計主要因素有以下幾點：
● 元器件選擇和布局
選擇EMC性能好的元器件，并盡量選擇表面貼裝的封裝形式。器件合理布局，把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，使各部件之間的引線盡量短。特別是微控制器和CAN控制器的時鐘源晶體一定按規(guī)定放置，否則會不起振。
● 合理布局地線，降低地線阻抗
地線電平是所有信號的參考電位。理想狀態(tài)下，電路板上所有的地線應該等電位，但是由于地線阻抗的存在導致地線各點電位有差異，所以應該盡量減小地線阻抗。最有效的辦法是做多層板，在中間專門設置一層地線面。
● 穩(wěn)定電源
電路中邏輯門輸出狀態(tài)切換時的瞬時效應、電源線阻抗的存在等不理想狀態(tài)總會使電源線產(chǎn)生噪聲，這些噪聲不僅會造成電路工作的不正常，而且會產(chǎn)生較強的電磁輻射。除了設置電源線網(wǎng)格來減小電源線的電感和阻抗外，還可以使用儲能電容。
2、電磁輻射和電磁屏蔽
電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，電磁屏蔽不影響電路的正常工作，不需要修改電路。屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量，包括反射損耗和吸收損耗兩部分。保持屏蔽體的導電連續(xù)性是電磁屏蔽效能的關(guān)鍵CAN總線電纜具有很強的干擾輻射和干擾接收能力。
雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個相鄰回路上感應出的電流具有相反的方向,相互抵消。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯，如圖2所示。為了減小系統(tǒng)網(wǎng)絡中兩路CAN總線之間的串擾，應該將兩組雙絞線分別屏蔽，電纜中不使用的導線接到信號地。
圖2 增加雙絞密度，屏蔽接地
3、傳導干擾和信號隔離
系統(tǒng)正常工作時，產(chǎn)生較大傳導性干擾的環(huán)節(jié)有：開關(guān)電源、何服驅(qū)動器、IO控制設備等。而危害更大的干擾則是瞬態(tài)干擾，它的特點是時間短、幅值大、功率小。
瞬態(tài)干擾的形式有：電機狀態(tài)改變時產(chǎn)生的電快速脈沖群干擾，雷電或大功率開關(guān)在電纜上產(chǎn)生的浪涌，靜電放電感應等。傳導干擾以共模形式居多，也有部分差模干擾。在系統(tǒng)中為保證CAN總線通訊的可靠性而使用的EMC措施有：信號保護器、瞬態(tài)抑制二極管TVS、隔離收發(fā)器、光電隔離等。
● 信號保護器
外接專用的信號保護器消除干擾，如ZF-12Y2消耗干擾強度和CANFDbridge網(wǎng)橋做隔離。
圖3 信號保護器與CANFDBridge隔離
● 瞬態(tài)抑制二極管TVS
瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)在信號線和信號地之間，用來保護電纜受到雷擊或靜電放電時產(chǎn)生的浪涌高壓。當TVS上的電壓超過一定的幅度時，器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，并將電壓的幅度限制在一定的范圍內(nèi)。
● 隔離收發(fā)器
隔離是解決傳導干擾問題的理想方法，它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇隔離收發(fā)器首先要考慮傳輸延時，其延時時間對總線的傳輸距離和質(zhì)量都會造成影響，建議使用磁隔離的CTM5MFD設計接口收發(fā)電路。
圖4 隔離收發(fā)器
● 光電隔離
光電隔離是解決傳導干擾問題的理想方法，它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇光耦合器件時需要考慮兩個參數(shù)：傳輸延時和共模抑制CMR，在傳輸延時滿足數(shù)據(jù)通訊波特率的情況下盡量選擇共模抑制能力高的型號。衡量光電耦合器共模抑制能力的方法為：輸出保持高(低)時可承受的最大共模電壓上升(下降)率CMH(CML)。使用光電隔離后，也必須使用電源隔離。
總結(jié)
各種干擾設備的輻射很復雜，要真正完全消除電磁干擾是不可能完成的任務。但是可以根據(jù)電磁兼容性的基本原理采取措施來最大限度地減小電磁干擾，并使之控制在系統(tǒng)可容納的范圍之內(nèi)，從而保證系統(tǒng)或設備可靠運行。以上的改善方案，可以很好的提高CAN FD設備的電磁兼容性能。
本文轉(zhuǎn)載自致遠電子。
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