采用11898.2V電源實現(xiàn)符合ISO 5-3標(biāo)準(zhǔn)的3V HS-CAN通信

本應(yīng)用筆記解決了僅使用3.3V電源為汽車電子控制單元（ECU）供電的一個非常常見的問題。ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，只有5V電源軌為CAN收發(fā)器供電。本文介紹如何為汽車CAN收發(fā)器提供3.3V電荷泵，以提供低功耗、低電壓且簡單的解決方案。通過消除5V電源軌，許多汽車OEM將節(jié)省重量和成本，同時提高里程性能。本文還討論了該電路對電磁輻射（EME）和抗擾度（EMI）以及電磁兼容性（EMC）的影響。MAX13041 CAN收發(fā)器與MAX1759電荷泵結(jié)合使用。

介紹

從首次推出汽車開始，制造商就見證了對更舒適、更高效、環(huán)境清潔、更好性能和更安全車輛的需求不斷增長。隨著每一次改進(jìn)，車輛所需的布線量開始顯著增加。在 1980 年代初由博世發(fā)明后，CAN 總線網(wǎng)絡(luò)迅速被汽車行業(yè)采用，因為它減輕了線束的重量和成本。

較舊的集中控制系統(tǒng)的所有執(zhí)行器和開關(guān)都通過多根電線。較新的CAN總線系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，其電子控制單元（ECU）位于需要每個單元的地方，并通過雙線總線系統(tǒng)連接。這種新系統(tǒng)帶來了顯著的優(yōu)勢，并解決了制造商的性能和成本目標(biāo)，但它需要標(biāo)準(zhǔn)化，以便在不同供應(yīng)商的ECU之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信。

這種標(biāo)準(zhǔn)化最初是由ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）組織于1993年完成的。2003年對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂。從那時起，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)是車輛中所有CAN通信的事實標(biāo)準(zhǔn);它被所有原始設(shè)備制造商普遍接受。

為了符合ISO 11898-2：2003標(biāo)準(zhǔn)，CAN收發(fā)器總線驅(qū)動器通常需要由5V電源軌供電，以提供適當(dāng)?shù)目偩€信號電平。這個規(guī)范很明確，但實現(xiàn)它并不總是那么簡單。大多數(shù)電子系統(tǒng)工程師都熟悉主電源軌無法滿足子系統(tǒng)的電源要求時的問題。在這些情況下，可用的電源軌通常不能直接為CAN收發(fā)器供電。簡而言之，只有一個3.3V單電源可用，通常是因為空間不足，無法包含最佳數(shù)量的電源。在其他情況下，由于散熱問題，直接從電池軌產(chǎn)生5V可能是不可接受的。在需要高電池電壓下進(jìn)行CAN通信的系統(tǒng)中尤其如此，例如，在車輛或24V卡車系統(tǒng)中的雙電池條件下。

有一種方法可以從5.3V設(shè)計實現(xiàn)3V電源。電壓轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生所需的電壓電平，電荷泵通常是需要低功耗、簡單和低成本組合的應(yīng)用的最佳選擇。此外，電荷泵易于使用，因為它們不需要昂貴的電感器或額外的分立元件。

選擇電荷泵

收發(fā)器電源

MAX13041 CAN收發(fā)器上的VCC引腳用于為IC的內(nèi)部參考電壓和接收器級供電，并在總線上提供適當(dāng)?shù)耐ㄐ烹娖健榱朔螴SO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)，VCC必須在4.75V和5.25V之間（正常工作電壓范圍）。

VI/O輸入提供了一個與3.3V I/O微控制器的接口，以在控制器和收發(fā)器的接收/發(fā)送級（RxD/TxD）之間獲得正確的電壓電平。當(dāng)然，當(dāng)應(yīng)用程序與這樣的控制器通信時，該引腳也可以由5V供電。

VBAT引腳通常連接到汽車電池（12V），提供一個非常低的靜態(tài)喚醒檢測電路。該引腳使MAX13041能夠通過CAN消息從休眠模式喚醒，并且如果檢測到VBAT電源上的欠壓，則會將收發(fā)器置于低功率模式。

有關(guān)所有其他引腳的詳細(xì)說明，請參考MAX13041數(shù)據(jù)資料。

電源電流

CAN總線可以具有兩種邏輯狀態(tài)之一：隱性或顯性（圖1）。在正常通信模式下，MAX13041需要最大V抄送顯性狀態(tài)下的輸入電流為80mA，隱性狀態(tài)下的輸入電流為10mA。電流進(jìn)入VI/O和 V.BAT可以忽略。 然而，在總線故障期間，V抄送電源電流會顯著增加，尤其是在CAN_H總線短路至地時。收發(fā)器將短路電流限制在IO（SC）= 95mA。為避免電源電壓擊穿的風(fēng)險，在這種情況下，最好確定電荷泵輸出電流的尺寸。

考慮到上述因素，為CAN收發(fā)器提供適當(dāng)?shù)碾娫葱枰敵鲭妷簽?V、上述電壓容差和95mA最小輸出電流能力的電荷泵。

圖1.用于隱性和顯性邏輯狀態(tài)的CAN總線的電壓電平。

電荷泵

雖然市場上有許多傳統(tǒng)的電荷泵器件，但本應(yīng)用筆記重點介紹MAX1759降壓/升壓調(diào)節(jié)電荷泵，以解決電源軌問題。

MAX1759從5.1V至6.5V輸入電壓提供穩(wěn)定的5V輸出電壓。其開關(guān)頻率為 1.5MHz，允許在 100mA 輸出電流下使用小型外部電容器。該器件的架構(gòu)允許輸入電壓高于或低于調(diào)節(jié)輸出電壓。但是，在此應(yīng)用中，它僅用作升壓電壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng) V在低于 V外，電荷泵作為穩(wěn)壓升壓倍增器工作。輕負(fù)載時，電荷泵僅在必要時切換以向負(fù)載供電，從而產(chǎn)生低靜態(tài)電流。輸出電壓紋波不會隨輕負(fù)載而增加。

有關(guān)電荷泵所有特性的詳細(xì)說明，請參考MAX1759數(shù)據(jù)資料。

示例：采用MAX3和MAX3的13041.1759V電路

圖2中的電路說明了從MAX13041電荷泵的輸出端為MAX1759供電是多么容易。MAX1759只需添加到V中即可抄送CAN收發(fā)器的輸入（藍(lán)色虛線），產(chǎn)生具有所需容差和輸出電流的5V輸出電壓。這種配置允許電路的其余部分由較低的電壓供電。在本例中，選擇3.3V（綠色）的外部電源電壓為電荷泵（IN）、微控制器和V供電。I/O收發(fā)器的電平轉(zhuǎn)換器電壓。電荷泵的/SHDN輸入被拉高，使器件進(jìn)入“導(dǎo)通”狀態(tài)。輸入/輸出的詳細(xì)尺寸（C在， C外）和跨接電容器（CX）在MAX1759數(shù)據(jù)資料中有說明。

圖2.為MAX5 CAN收發(fā)器提供13041V電壓的電路使用MAX1759電荷泵。

電磁兼容性

在CAN應(yīng)用中，實現(xiàn)電磁兼容性（EMC）可能是一個挑戰(zhàn)，尤其是在系統(tǒng)配備開關(guān)穩(wěn)壓器的情況下。CAN系統(tǒng)的線束尤其成問題，因為CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L引腳是連接到整個車輛的總線網(wǎng)絡(luò)的接口。如果不小心，可能會遇到或產(chǎn)生從CAN電源傳播的干擾，通過收發(fā)器，通過總線線，并傳播到線束的相鄰電纜中。這種干擾會導(dǎo)致傳輸控制單元或系統(tǒng)中其他控制單元的通信錯誤或故障。

基于此，Maxim測試了MAX13041由MAX1759電荷泵供電時的EMC行為。Maxim考慮了兩個領(lǐng)域：電磁抗擾度（EMI）和電磁輻射（EME）。測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)5V供電MAX13041的性能進(jìn)行了比較。這些測試根據(jù)EMC干擾確定電荷泵的影響，并證明電荷泵對來自CAN線路傳播到電源的干擾的魯棒性。

抗擾度測試

ISO 11452 規(guī)范描述了幾種測試射頻干擾抗擾度的方法，包括大電流注入 （BCI）、橫向電磁電池 （TEM-cell）、帶狀線和直接功率注入 （DPI）。

Maxim之所以使用DPI方法，是因為該方法具有高度可重復(fù)性（由于使用了定義明確的測試板），并且需要相對較少的測試工作。DPI測試將一定的交流電壓注入總線線路，無論是否調(diào)制，并通過收發(fā)器的RXD引腳檢查傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號的完整性。這種方法有助于不同供應(yīng)商的設(shè)計進(jìn)行比較，此外，測試CAN收發(fā)器的獨(dú)立實驗室（例如，IBEE Ingenieur Buero fuer industrielle Elektronik）也使用這種方法。

測試設(shè)置

測試裝置（圖3）由三個相同的收發(fā)器組成，安裝在指定的PCB上，其中一個由MAX1759電荷泵提供。節(jié)點1作為模擬CAN消息的位模式的發(fā)送器進(jìn)行操作，該CAN消息將在所有收發(fā)器的RXD輸出端口處被接收和監(jiān)控。對于輸出Rx1至Rx3以及輸入TxD1的RF去耦，使用1kΩ電阻器。在每個收發(fā)器IC的電源端口VCC和VBAT處使用緩沖陶瓷電容器（C=100nF）。喚醒引腳處的電阻值為33kΩ。通過將EN和有效低STB引腳都綁高，將設(shè)備設(shè)置為正常模式。節(jié)點1的VCC電壓由MAX1759電荷泵電路產(chǎn)生，該電路提供3.3V。3.3V電源也用作收發(fā)器節(jié)點1的VI/O電壓。

電荷泵的輸出電容C1為10μF，跨接電容C2為330nF，IN引腳由一個10μF電容去耦。在測試電路中，總線端接通過使用60Ω R4電阻的中央端接實現(xiàn)。對稱RF耦合/去耦通過并聯(lián)RC組合R5/R6 = 120Ω、C3/C4 = 4.7nF實現(xiàn)。外部 3.3V、5V 和 12V 電源由標(biāo)準(zhǔn)電源提供，并由濾波網(wǎng)絡(luò)濾波。

圖3.DPI 和排放測試的測試設(shè)置。

測試程序

測試是在MAX13041 CAN收發(fā)器正常工作的情況下進(jìn)行的。第一次測試運(yùn)行是使用標(biāo)準(zhǔn)V提供的所有收發(fā)器進(jìn)行的抄送= 5V 電源。碼型發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的方波，以模擬節(jié)點0的TXD引腳上1kbps的CAN信號（永久數(shù)據(jù)交替0-500-1）。射頻輸入（HF1）上的高頻發(fā)生器將一定頻率的調(diào)幅（AM）交流電壓以36dBm的功率注入CAN線路以模擬干擾。

為了評估抗擾度，將網(wǎng)絡(luò)中三個收發(fā)器的Rx信號在干擾的影響下與使用示波器饋入TXD的信號進(jìn)行比較。

在TXD信號波形上疊加了最大允許電壓偏差為±0.9V、最大允許時間偏差為±0.2μs的驗證模板。

如果故障標(biāo)準(zhǔn)為真（即，如果其中一個收發(fā)器的RXD信號超出驗證掩碼窗口），則注入的RF功率降低0.2dBm，并重復(fù)相同的測試（在特定頻率步長），直到故障標(biāo)準(zhǔn)為假。然后，記錄當(dāng)前功率值并調(diào)整下一個頻率步長。該測試是在10MHz至100MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的。

DPI 測試結(jié)果

圖4所示為MAX13041的測試結(jié)果曲線，采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電抄送（藍(lán)色）并由電荷泵提供（粉紅色）。X 軸表示頻率范圍，而 Y 軸表示無故障注入的最大功率。由于藍(lán)線和粉線幾乎相同，可以看出電路的EMI行為由CAN收發(fā)器的EMI敏感性主導(dǎo)，而不是電荷泵的EMI敏感性。因此，為MAX13041 CAN收發(fā)器提供MAX1759電荷泵不會顯著影響電路的EMI行為。

圖4.DPI 測試結(jié)果。

排放測試

輻射測試在與DPI測試相同的測試板和測試設(shè)置上進(jìn)行，只是功率注入器（HF發(fā)生器）被頻譜分析儀取代。測試再次在CAN收發(fā)器以正常模式運(yùn)行的情況下進(jìn)行。第一次測試是使用標(biāo)準(zhǔn)V提供的所有收發(fā)器進(jìn)行的抄送= 5V 電源。CAN TXD輸入上施加的方波（模擬500kbps的傳輸比特流）保持不變;頻譜分析儀在100kHz至1GHz頻率范圍內(nèi)測量和記錄的CAN線路上的發(fā)射。不需要DSO（圖3）。

排放測試結(jié)果

圖5所示為MAX13041的EME曲線，由標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電抄送（藍(lán)色），以及MAX1759電荷泵（粉紅色）。X軸表示頻率范圍，而Y軸表示干擾的程度。

同樣，藍(lán)色和粉紅色線（電荷泵提供的一個收發(fā)器）與MAX13041采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源（藍(lán)色）的線幾乎相同。因此，可以看出，電路的輻射行為主要取決于CAN收發(fā)器的輻射兼容性，而不是電荷泵的輻射兼容性。這些測試結(jié)果表明，CAN收發(fā)器可以配備電荷泵，而不會顯著影響系統(tǒng)的整體EMC行為。

圖5.MAX13041的EME曲線由標(biāo)準(zhǔn)5V（藍(lán)色）和MAX1759電荷泵（粉紅色）提供。

結(jié)論

在CAN應(yīng)用中實現(xiàn)EMC可能具有挑戰(zhàn)性，特別是如果它們由開關(guān)穩(wěn)壓器（電荷泵）供電。然而，本應(yīng)用筆記表明，電路的EMC行為由CAN收發(fā)器的EMC控制，而不是電荷泵的EMC。

基于上述理解，MAX13041可以采用3.3V MAX1759電荷泵供電。需要3.3V低功耗、低電壓工作和低成本的應(yīng)用可以在5V電源軌不可用時使用此選項。

審核編輯：郭婷