硬件接口协议之“CAN总线EMC设计”

本文主要介绍CAN总线的EMC设计。

CAN总线多用于汽车、工业控制等领域，用于数据的传输控制。采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线（CAN-H和CAN-L）就可以进行正常的通信。但在实际应用的过程中通讯线缆容易耦合外部的干扰对信号传输造成一定的影响，单板内部的干扰也可能通过电缆形成对外辐射。所以在干扰比较强的场合，还需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干扰信号），CAN协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输线。

CAN总线在实际使用过程中一般会针对性的进行隔离和防护。隔离包括信号线的隔离和电源的隔离，隔离可以增强系统的抗干扰能力，但也会增加CAN总线的传输延迟，导致通信速率和通信距离减少。防护主要针对EMC相关问题，包括RE、CE、RS、CS、ESD、SURGE、EFT/B等等。

CAN总线隔离

CAN总线的隔离包括电源和信号线，传统的设计，电源隔离采用变压器等实现，信号隔离采用光耦、磁耦等实现。

随着技术的发展及需求的驱动，像致远等厂家就推出了面向车载CAN总线的隔离防护方案，比如CTM1051HQ。

CAN接口防护

CAN总线的防护思路主要是屏蔽干扰、提供泄放通道、隔离保护等。其中隔离部分上面已经介绍了，下面介绍一下屏蔽和泄放。

常见的CAN接口防护顺序为：第一级进行雷击浪涌的防护，第二级进行滤波。

如果第一级的防护要求不高，可以采用下图所示的方案：

第一级只采用TVS管。D1、D2为TVS管，典型选值要求反向关断电压3.5V以上；因为TVS只是用来静电防护，TVS的功率不作要求。TVS管的结电容对信号传输有一定的影响，CAN接口推荐使用结电容小于100pF的TVS管。

第二级采用共模电感加滤波电容。L1为共模电感，用于滤除差分线上的共模干扰，其阻抗选择范围为120Ω/100MHz~2200Ω/100MHz，典型值选取600Ω/100MHz。C1、C2为信号线上的滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，容值选取范围为22PF~1000pF，典型值选取100pF。C3为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，耐压要求达到2KV以上，C3容值可根据测试情况进行调整。

如果CAN接口是在可能有大能量雷击的场合使用，则推荐进行多级防护，这样可以抑制大能量的雷击浪涌，详细见下图的三级防护电路。

第一级采用GDT，放置在接口最前端。当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制固定的电压值范围内。

第二级采用电阻进行限流，后端的TVS提供第三级浪涌防护，这样可以对CAN接口电路提供有效的防护。

CAN接口PCB设计

CAN接口的防护不光需要在原理上进行设计，同时PCB也要设计得当才能发挥防护器件的性能。

防护器件及滤波器件要靠近接口位置处摆放且要求摆放紧凑整齐，信号线上的防护器件GDT、TVS管和滤波电容要接到接口地；按照信号流向布局器件，走线时要尽量避免走线曲折的情况。

接口及接口滤波防护电路周边不能走线且不能放置高速或敏感的器件。

当接口与单板存在相容性较差或不相容的电路时，需要在接口与单板之间进行“分地”处理，即根据不同的端口电压、电平信号和传输速率来分别设置地线。“分地”可以防止不相容电路的回流信号的叠加，防止公共地线阻抗耦合；

共模电感及跨接电容要置于“分地”隔离带中。隔离带下面投影层要做掏空处理，禁止走线。

CAN接口信号传输速率较高，内部PCB板高频噪声很容易由公共地线通过接口向外传导辐射，因此将公共地分割且通过电容相接，可以阻断共模干扰的传播路径。

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