如何设计符合整车厂要求的CAN物理层接口电路？

shuszhao

CAN的物理层从结构上可分为三层，分别是物理信号层(PLS)、物理介质附件(PMA)层和介质从属接口(MDI)层。PMA和MDI两层有很多不同的国际或行业标准，这就使得不同零部件供应商电路在物理层接口上都各不相同。因此，如何设计符合整车厂要求的物理层接口电路，就成为需要讨论的一个重要主题。

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，目前已经成为车载控制器的必备接口和标准协议，目前有着广泛的应用。由于CAN这个主题的涉及范围比较多，我们仅仅对物理层展开讨论。
CAN总线的物理层是将车载控制器连接至总线的驱动电路。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码/解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义，设计车载控制器的CAN电路时，物理层电路具有很大的选择余地。
物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，CAN的物理层可分为三层，分别是物理信号层（Physical Layer Signaling，PLS）、物理介质附件（Physical Media Attachment，PMA）层和介质从属接口（Media Dependent Interface，MDI）层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。PMA和MDI两层有很多不同的国际或行业标准，比较流行的是ISO11898协议定义的高速CAN发送/接收器标准，但也可自行定义，这就使得不同零部件供应商电路在物理层接口上都各不相同。
正因为如此，如何设计符合整车厂要求的物理层接口电路，从而能够通过整车厂的设计评审及工程验收，就成为需要讨论的一个重要主题。
本文讨论三种CAN物理层接口电路的设计：
（1）带有齐纳二极管的CAN物理层接口；
（2）带有压敏电阻器的CAN物理层接口；
（3）带有滤波器的CAN物理层接口（Filter Termination）。

                               
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图1：带有齐纳二极管的CAN物理层接口。

（1）带有齐纳二极管的CAN物理层接口


从图1可以看到，带有齐纳二极管的CAN物理层接口可以划分成三个元件功能区域，分别是终端元件、可选元件和ESD元件。终端元件中包含R1、R2和C4，可选元件是0W的电阻，ESD元件包含C2、C3、Z1和Z2。下面就详细介绍每一个元器件的作用（见表1）和设计注意事项。

                               
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表1：带有齐纳二极管的CAN物理层接口的元器件的作用。

下面来介绍设计注意事项：
C1（VCC）：在这里，C1有两种可能的放置位置，如果是在控制器内部的C1，只需要满足容量³90nF，电压³16V耐压等级就可以。
C1（VBAT）：如果是第二种情况，即这里是一颗SBC（系统基础芯片），则是有更高的选型要求。容量³90nF±10%，电压³100V耐压，注意这时候C1的电容是直接接到电池的正端，需要采用满足Flexisafe或者等效功能的电容来设计。
C2、C3：这两个电容在这里是作为ESD的防护电容来工作的。需要选择容值在100pF±10%，额定工作电压>50V的电容。还需要注意的是在PCB布线的时候，C2、C3必须尽可能地靠近连接器（小于10mm），这样才有更好的ESD保护效果。
Z1、Z2：这两个齐纳二极管同样是作为ESD保护的作用。需要选用击穿电压在27V的齐纳二极管，这样才可以使外部的高电压在经过齐纳二极管到达CAN_H和CAN_L的PIN脚电压时不至于击穿CAN收发器。以TJA1054A（NXP公司）为例，数据手册（见图2）中显示CAN_H和CAN_L的最大值耐受电压为+40V，最小值耐受电压为-27V，这也就是为何要用双向的齐纳二极管将外部电压钳位在±27V之间的原因。还需要注意的是在PCB布线的时候，Z1、Z2必须尽可能靠近连接器（小于10mm），这样才有更好的ESD保护效果。

                               
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图2：TJA1054A（NXP公司）的数据手册（部分）。

R1、R2：这两个是CAN网络的终端电阻，需要选择±1%精度的电阻，并且要保证R1+R2=118–132W（包括容差，这个值不同的整车厂有不同的要求，此处的值来自于Ford的需求标准），考虑到R1和R2会在最差情况下短路到电源和降等级设计的要求，需要将R1和R2的额定功率选为250mW。
C4：终端滤波容，用来滤除在终端电阻R1和R2上的耦合噪声。此处选择4.7nF±10%、50V的耐压等级。

                               
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图3：带有压敏电阻器的CAN物理层接口。

（2）带有压敏电阻器的CAN物理层接口


从图3可以看到，带有压敏电阻器的CAN物理层接口可以划分成三个元件功能区域，分别是终端元件、可选元件和ESD元件。终端元件中包含R1、R2和C4，可选元件是个0W的电阻，ESD元件包含V1和V2。下面就详细介绍每一个元器件的作用（见表2）和设计注意事项。

                               
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表2：带有压敏电阻器的CAN物理层接口元器件的作用。

下面来介绍设计注意事项：
C1（VCC）：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1（VCC）的说明。
C1（VBAT）：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1（VBAT）的说明。
V1、V2：这两个压敏电阻器是作为ESD保护作用。需要选用击穿电压在±27V的压敏电阻器，这样才可以使外部的高电压在经过压敏电阻器到达CAN_H和CAN_L的PIN脚电压时不至于击穿CAN收发器。同样以TJA1054A为例，数据手册（见图2）中显示CAN_H和CAN_L的最大值耐受电压为+40V，最小值耐受电压为-27V，压敏电阻器将外部电压钳位在±27V之间。还需要注意的是在PCB布线的时候，V1、V2必须尽可能靠近连接器（小于10mm），这样才有更好的ESD保护效果。
R1、R2：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对R1、R2的说明。
C4：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C4的说明。

                               
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图4：带有滤波器的CAN物理层接口。

（3）带有滤波器的CAN物理层接口


从图4可以看到，带有滤波器的CAN物理层接口可以划分成两个元件功能区域，分别是终端元件和ESD元件（这个与带有齐纳二极管和带有压敏电阻器的接口电路有所不同）。终端元件中包含C2、C3和R1，ESD元件包含C4、C5、Z1和Z2。但目前此类CAN物理层接口不是很常见。下面就详细介绍每一个元器件的作用（见表3）和设计注意事项。

                               
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表3：带有滤波器的CAN物理层接口的元器件的作用。

下面来介绍设计注意事项：
C1（VCC）：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1（VCC）的说明。
C1（VBAT）：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C1（VBAT）的说明。
C2、C3：注意此处的电容为终端电容，不是ESD电容。需要选用220pF±10%，耐压等级>50V的器件。
C4、C5：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对C2，C3的说明。
R1：注意此处只用了一个终端电阻，其取值范围在59~66W之间（包括容差，这个值不同的整车厂有不同的要求，此处的值来自于Ford的需求标准），考虑到R1会在最差情况下短路到电源和降等级设计的要求，需要将R1的额定功率选为250mW。
Z1、Z2：参照第（1）部分带有齐纳二极管的CAN物理层接口对Z1、Z2的说明。
综上所述，除了以上的设计需求，还有以下的一些注意事项（并不区分先后顺序和优先级）在设计中必须同等对待。
● CAN收发器的布局位置必须尽可能地靠近车载控制器的连接器，其他的IC不允许放置在CAN收发器的附近。
● CAN收发器的地，以及输入电容、齐纳二极管和压敏电阻器的地都应该和车载控制器共地。
● C1电容必须尽可能地靠近CAN收发器的电源脚（VCC/VBAT）。
● C1、C2、C3和C4必须是MLCC电容或等效的器件。
● R1和R2必须用单个电阻来满足阻值以及容差的要求，不允许用多个串联的方式来满足阻值的要求。
● CAN_H/CAN_L的引脚到达车载控制器的连接器必须尽可能地短而且保持平行（side-by-side），可靠的布线规则是让CAN_H/CAN_L、TXD和RXD保持在PCB的同一层。
● 所有ESD电容必须尽可能地靠近车载控制器的连接器。

pads008

    

似水流年

lzx123

图挂了

mj8abcd

  

h09721

236244828

真好、、。。整合真好。。。

耀

  

smallmice

有硬件参考电路 更好