CAN总线的EMC设计方案

sisi9000 · 发表于 2021-4-25 11:58:56

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一. CAN接口EMC设计概述

Controller Area Network简称为CAN，多用于汽车以及工业控制，用于数据的传输控制。在应用的过程中通讯电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。
本方案从EMC原理上，通过接口的原理图、PCB、结构及电缆方面进行相关的抑制干扰和抗敏感度设计，从设计层次解决EMC问题。
本方案可通过汽车电子标准CISPR 25-2008及ISO7637系列标准，或可通过以下测试项目：

序号	接口测试项目	测试等级	性能判据
1	辐射发射(RE)	CISPR25 LV5
2	传导发射（CE）	CISPR25 LV5
3	射频磁场抗扰度(RI)	400~4000MHz 150V/m 驻留时间 2s	性能判据A
4	大电流注入 BCI	1~400MHz 150mA 150mm 驻留时间 2s	性能判据A
5	传导抗扰度7637-2 （24V系统）	波形1：Us=-450V 10000 pulses 波形2a：Us=+50V 10000 pulses 波形2b：Us=+20V 20 pulses 波形2a：Us=-150V 1h 波形3b：Us=+150V 1h 波形5b：Us=-+30V Td=250ms	性能判据C 性能判据A 性能判据C 性能判据A 性能判据A 性能判据A
6	静电抗扰度 ESD	接触：+-8KV 空气：+-15KV	性能判据A

二. 原理图设计方案

1. CAN接口防静电设计

图1 CAN接口防静电设计

电路EMC设计说明：

（1）电路滤波设计要点：
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；
（2）电路防护设计要点：
D1、D2为瞬态抑制二极管，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。

接口电路设计备注：
如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过1000pF电容相连；如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板地GND直接电气连接。

三. PCB设计方案

1. CAN接口分地设计

图2 CAN接口分地设计

方案特点：
（1）为了抑制内部单板高频噪声通过接口向外传导辐射，也为了增强单板对外部干扰的抗扰能力。在CAN接口处增加防护和滤波隔离器件，并以隔离器件位置大小为界，划分出接口地；
（2）隔离带中可以选择性的增加电容作为两者地之间的连接，电容取值建议为1000pF；信号线串联共模电感滤波，且共模电感要求置于隔离带内；为了防止外部强干扰通过端口耦合进内部PCB，引起内部器件性能下降，在靠近端口处信号线上增加防护器件TVS管，具体布局如图示。
方案分析：
（1）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；
（2） 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。

2. CAN接口电路布局

图3 CAN接口滤波与防护电路布局

方案特点：
（1）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TVS管与滤波电容要下接至接口地；按照信号流向摆放器件，走线时要尽量避免走线曲折的情况；
（2）共模电感及跨接电容要置于隔离带中。

方案分析：
（1）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；
（2）隔离带下面投影层要做掏空处理，禁止走线。

四．结构设计方案

1. CAN信号连接器针脚定义

图4 CAN信号连接器

连接器信号针脚定义
（1）若是单组CAN信号，那么选择相邻的两个针脚作为差分信号；
（2）若是多组CAN信号在同一个连接器内，那么每组信号间要定义一个地针脚来相互隔离。如上图所示：

五. 线缆设计方案

1. CAN信号电缆组线

图5 CAN信号电缆组线

电缆设计：
（1） CAN信号电缆采用网状编织屏蔽层的屏蔽方式，且网状编织层编织密度要求不小于90%；
（2）内部组线时，差分电缆采用双绞传输，双绞绞距一般为信号电缆线径的3倍；组线方式如上图所示：
（3）电缆两端需要增加磁环处理，磁环内径与电缆的外径要紧密结合，尽量选择厚长型的磁环。
走线设计：
（1） CAN信号电缆走线时要求远离其他强干扰源，如电源模块；
（2）电缆走线最好单独走线或与其他模拟以及功率线缆保持250px以上距离，切不可与其他线缆一起混合捆扎。
EDP软件介绍
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