3.3VCC供電下實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的HS-CAN通信

摘要：在要求低功耗、低電壓工作和低成本的應(yīng)用中，電荷泵通常是最佳選擇。該應(yīng)用筆記介紹了采用MAX683—將3.3V輸入轉(zhuǎn)換成5V穩(wěn)壓輸出的電荷泵，為MAX13041 HS-CAN收發(fā)器供電的工作情況。本文還討論了電荷泵供電對(duì)電磁輻射和抗干擾能力的影響。

概述

如果保證MAX13041的VCC電源處于4.75V至5.25V (標(biāo)稱工作電壓范圍)，則可滿足ISO 11898-2高速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)1。也就是說，如果需要進(jìn)行CAN通信，必須采用5V電源為CAN收發(fā)器供電。

然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常碰到的問題是主電源無法滿足子系統(tǒng)的電源需求。這種情況下，無法直接使用現(xiàn)有電源：僅有一路3.3V電源或不能直接采用電池電壓獲得所有需要的電源。由于電路板空間有限，不能包含所有電源。有些情況下，直接從電池電源產(chǎn)生5V電壓可能無法接受，因?yàn)榇嬖谏釂栴}，特別是在需要高電池電壓進(jìn)行CAN通信的系統(tǒng)中(如，汽車中兩節(jié)電池供電的情況或在24V卡車系統(tǒng)中)。

電壓轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生所需的各種電壓，并且在要求低功耗、電路簡單和低成本應(yīng)用中，電荷泵通常是最佳選擇。電荷泵便于使用，因?yàn)樗鼈儫o需昂貴的電感或額外的半導(dǎo)體器件。

選擇電荷泵

收發(fā)器電源

MAX13041的VCC引腳用于IC供電，當(dāng)IC處于正常工作模式時(shí)在總線、電壓基準(zhǔn)和接收電路之間建立正確的通信信號(hào)。

VI/O輸入提供與3.3V I/O微控制器的接口，在控制器和收發(fā)器之間獲得正確的電壓。當(dāng)然，當(dāng)具體應(yīng)用與這種控制器通信時(shí)，該引腳可以接5V穩(wěn)壓器。

VBAT引腳(通常連接至汽車12V電池)為超低靜態(tài)電流的喚醒檢測電路供電。該引腳用于激活MAX13041，以便在收到CAN信息時(shí)從休眠模式下喚醒器件。如果檢測到VBAT電源上有欠壓情況，則將收發(fā)器置于低功耗模式。

所有其它引腳的詳細(xì)說明請(qǐng)參考MAX13041的數(shù)據(jù)資料2。

電源電流

CAN總線處于下述兩種邏輯狀態(tài)的一種：隱性狀態(tài)或顯性狀態(tài)(圖1)。正常通信模式中，MAX13041在顯性狀態(tài)下需要80mA的最大VCC輸入電流；隱性狀態(tài)下需要10mA3。流入VI/O和VBAT的電流可以忽略。

然而，當(dāng)總線出現(xiàn)故障時(shí)，特別是如果CAN_H總線短接至地，則VCC電源電流會(huì)明顯增大。收發(fā)器將會(huì)把短路電流限制到IO(SC) = 95mA4。不管怎樣，這種條件下最好調(diào)節(jié)電荷泵輸出電流。

考慮到上述情況，采用電荷泵提供CAN收發(fā)器所需電源，該電荷泵可提供5V輸出電壓，電壓容差滿足上述要求，且最小輸出電流可達(dá)95mA。


圖1. CAN總線的邏輯狀態(tài)

3.3V輸入至5V穩(wěn)壓輸出的電荷泵

盡管市場上有多種常規(guī)的電荷泵器件可供選擇，本應(yīng)用筆記采用3.3V輸入、5V穩(wěn)壓輸出的電荷泵MAX683解決供電問題。該器件可在2.7V至5.5V輸入電壓下提供5V ±4%的穩(wěn)壓輸出。器件開關(guān)頻率調(diào)節(jié)范圍高達(dá)2MHz，允許在100mA輸出電流下使用小尺寸外部電容。

器件可工作在兩種模式：跳頻模式和固定頻率模式。跳頻模式下(低電平有效SKIP輸入 = 低電平)，當(dāng)檢測到輸出電壓高于5V時(shí)禁止開關(guān)操作。器件隨后進(jìn)入跳頻模式，直到輸出電壓跌落。由于器件工作在非連續(xù)模式，這種調(diào)節(jié)方法使工作電流最小。固定頻率模式下(低電平有效SKIP輸入 = 高電平)，電荷泵在所設(shè)定的頻率下連續(xù)工作，這種調(diào)節(jié)方案的輸出紋波最小。由于器件連續(xù)進(jìn)行開關(guān)操作，輸出噪聲包含確定的頻率成分，在指定的輸出紋波下電路允許使用非常小的外部電容。但是，固定頻率模式消耗較大的工作電流，輕載狀態(tài)下效率低于跳頻模式。

MAX13041和MAX683 3.3V電路實(shí)例

從圖2所示電路可以看出采用電荷泵給MAX13041供電非常簡便，將MAX683連接至CAN收發(fā)器的VCC輸入(虛線)，即可提供5V輸出電壓，容限和輸出電流均可滿足要求。該配置允許其余電路采用較低電壓供電。本例中，選用3.3V外部電源為電荷泵(IN)、微控制器以及收發(fā)器的VI/O電平轉(zhuǎn)換器供電。電荷泵的低電平有效SKIP輸入置高，器件置于固定頻率模式。開關(guān)頻率可由REXT電阻設(shè)置。關(guān)于輸入/輸出電容(CIN、COUT)、飛電容(CX)以及頻率設(shè)置電阻(REXT)的詳細(xì)說明，請(qǐng)參考MAX683的數(shù)據(jù)資料5。


圖2. 采用MAX683電荷泵為MAX13041 CAN收發(fā)器供電的電路

電磁兼容性

CAN應(yīng)用中滿足電磁兼容性(EMC)要求是設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)，特別是收發(fā)器采用開關(guān)電源調(diào)節(jié)器供電時(shí)。CAN系統(tǒng)的電纜是實(shí)際應(yīng)用中需要關(guān)注的問題，因?yàn)镃AN_H和CAN_L引腳連接至總線網(wǎng)絡(luò)，總線網(wǎng)絡(luò)涉及整個(gè)汽車的運(yùn)轉(zhuǎn)。如果不夠謹(jǐn)慎，可能遇到干擾或產(chǎn)生干擾信號(hào)，通過CAN電源傳遞到收發(fā)器，進(jìn)而注入整個(gè)總線，對(duì)相鄰電纜產(chǎn)生干擾。這些干擾會(huì)造成通信錯(cuò)誤或系統(tǒng)的其它控制單元出現(xiàn)故障。

考慮到上述因素，我們對(duì)采用MAX683電荷泵供電的MAX13041進(jìn)行了EMC測試，并與由標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的MAX13041的EMC性能進(jìn)行對(duì)比，觀察電荷泵對(duì)EMC干擾的影響。在此，我們將考慮兩個(gè)方面：電磁干擾抑制(EMI)和電磁輻射(EME)。

抗擾性測試

ISO 11452規(guī)范給出了幾種針對(duì)RF干擾抑制能力測試的方法，包括：大電流注入(BCI)、橫向電磁波箱(TEM-cell)、帶狀線以及直接射頻功率注入(DPI)。

我們采用DPI進(jìn)行測試，原因是該方法具有高重現(xiàn)性(由于采用定義完善的測試板)和相對(duì)低的測試成本。DPI測試原理是向總線電纜注入特定交流電壓，該電壓可以經(jīng)過調(diào)制，也可以未經(jīng)調(diào)制，然后檢測收發(fā)器RXD引腳傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的完整性。這種方法還有助于比較不同供應(yīng)商的設(shè)計(jì)；此外，它利用獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室(例如，IBEE [Ingenieur Buereo fuer industrielle Elektronik])測試CAN收發(fā)器。

測試裝置

測試裝置(圖3)包括三個(gè)同樣的收發(fā)器，焊接到指定的PCB，其中一片采用MAX683電荷泵供電。節(jié)點(diǎn)1作為發(fā)送器，用于模擬在所有收發(fā)器的Rx_輸出端接收、監(jiān)測到的CAN信息的位模板。Rx1至Rx3輸出以及Tx1輸入端的RF去耦均采用1kΩ電阻。每片收發(fā)器IC的VCC和VBAT電源端均采用陶瓷電容(C = 100nF)去耦。喚醒引腳的電阻值為33kΩ。通過把EN引腳和低電平有效STB引腳置高，可將器件置于正常工作模式。節(jié)點(diǎn)1的VCC電壓由MAX683電荷泵提供，MAX683由3.3V供電。3.3V電源還用于收發(fā)器節(jié)點(diǎn)1的VI/O電源。

通過跳線選擇電阻R1或R2，可使電荷泵在跳頻模式和固定頻率模式(CFM)之間切換。電荷泵開關(guān)頻率通過59kΩ的R3電阻設(shè)置為2MHz。電荷泵的輸出電容C1為4.7μF、飛電容C2為220nF，并且輸入IN引腳通過470nF電容去耦。測試電路中，總線終端匹配通過60Ω的R4電阻中間端接實(shí)現(xiàn)。R5/R6 = 120Ω、C3/C4 = 4.7nF并聯(lián)的RC組合構(gòu)成對(duì)稱的RF耦合/去耦。外部3.3V、5V以及12V電源由標(biāo)準(zhǔn)電源提供，由濾波網(wǎng)絡(luò)濾波。


圖3. DPI和輻射測試的測試裝置

測試步驟

測試中MAX13041 CAN收發(fā)器置于常規(guī)工作模式，電荷泵采用固定頻率模式測試一次，并采用跳頻模式再測試一次。第一次測試中所有收發(fā)器均采用標(biāo)準(zhǔn)的VCC = 5V電源供電。模板發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的方波，模擬節(jié)點(diǎn)1 TXD引腳的250kbps CAN信號(hào)(數(shù)據(jù)保持在固定的0-1-0交替信號(hào))。RF輸入(HF1)上的HF發(fā)生器在CAN電纜上注入特定頻率、功率相當(dāng)于36dBm的調(diào)幅(AM)交流電壓，用于模擬干擾。

為評(píng)估干擾抑制能力，用示波器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中所有三個(gè)收發(fā)器的RX信號(hào)，比較它們?cè)诟蓴_信號(hào)下對(duì)TXD信號(hào)的影響。有效模板所允許的最大電壓偏差為±0.9V，最大時(shí)間偏差為±0.2μs，利用該模板驗(yàn)證TXD信號(hào)波形。

如果測試結(jié)果達(dá)到了失效水平(例如，收發(fā)器的RX信號(hào)超出有效模板窗口)，則將RF注入功率降低0.2dBm，并重復(fù)同一測試(以特定的頻率等級(jí))，直到失效判據(jù)無效為止；隨后記錄當(dāng)前的功率值并調(diào)節(jié)至下一個(gè)頻率等級(jí)，該測試的頻率范圍為10MHz至100MHz。

DPI測試結(jié)果

圖4所示為MAX13041 VCC采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的測試曲線(藍(lán)線)以及MAX13041分別采用固定頻率模式下的電荷泵供電(紅線)和跳頻模式下的電荷泵供電(綠線)情況下的測試結(jié)果。X軸代表頻率范圍，Y軸代表沒有發(fā)生失效條件下的最大注入功率。從綠線和紅線可以看出，兩者與藍(lán)線(MAX13041沒有采用電荷泵供電)幾乎一樣，由此可見：電路的EMI性能主要由CAN收發(fā)器的EMI特性決定，與電荷泵關(guān)系不大。因此，采用MAX683電荷泵為MAX13041 CAN收發(fā)器供電不會(huì)顯著影響電路的EMI性能。


圖4. DPI測試結(jié)果

輻射測試

輻射測試在同一測試板進(jìn)行，測試裝置和DPI測試基本相同，唯一區(qū)別是采用頻譜分析儀替換功率注入設(shè)備(HF發(fā)生器)。同樣，測試工作在常規(guī)模式的CAN收發(fā)器。分別測試電荷泵工作在跳頻模式和固定頻率模式的情況。第一個(gè)測試，采用標(biāo)準(zhǔn)的VCC = 5V電源為所有收發(fā)器供電。CAN TXD輸入端加載方波(模擬發(fā)送250kbps的比特流)，并通過頻譜分析儀在100kHz至1GHz頻率范圍測量、記錄CAN電纜的輻射。無需DSO (圖3)。

輻射測試結(jié)果

圖5所示為MAX13041 VCC采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的EME測試曲線(藍(lán)線)以及采用工作在固定頻率模式的MAX683電荷泵供電的EME測試曲線(綠線)。圖6比較了標(biāo)準(zhǔn)5V供電的MAX13041 (紫線)和采用工作在跳頻模式的MAX683電荷泵供電的MAX13041測試結(jié)果(紅線)。X軸代表頻率范圍，Y軸代表干擾等級(jí)。

綠線和紅線(收發(fā)器由電荷泵供電)與采用標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的MAX13041測試結(jié)果(藍(lán)線和紫線)幾乎相同，由此可見：電路的輻射性能主要取決于CAN收發(fā)器的輻射兼容性，與電荷泵關(guān)系不大。測試結(jié)果表明，采用電荷泵為CAN收發(fā)器供電不會(huì)顯著影響系統(tǒng)的EMC性能。


圖5. MAX13041由標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的EME測試曲線(藍(lán)線)和由工作在固定頻率模式的MAX683電荷泵供電的EME測試曲線(綠線)


圖6. MAX13041由標(biāo)準(zhǔn)5V電源供電的EME測試曲線(紫線)和由工作在跳頻模式的MAX683電荷泵供電的EME測試曲線(紅線)

結(jié)論

CAN應(yīng)用中滿足電磁兼容性指標(biāo)非常困難，特別是當(dāng)收發(fā)器采用開關(guān)電源調(diào)節(jié)器(電荷泵)供電時(shí)。然而本應(yīng)用筆記說明：電路的EMC性能主要取決于CAN收發(fā)器的EMC，與電荷泵關(guān)系不大。

對(duì)于需要低功耗、低電壓工作和低成本的應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在無法得到5V電源時(shí)可以采用MAX683電荷泵為MAX13041供電，從測試結(jié)果看這是一個(gè)極佳選擇。