CAN总线设计---CAN节点的电容、CAN终端电阻、CAN总线共模电感/共模扼流圈
1. 简介
CAN总线由德国BOSCH公司开发，最高速率可达到1Mbps，它通过差分方式跟总线连接。CAN的容错能力特别强，CAN控制器内建了强大的检错和处理机制。另外不同于传统的网络（比如USB或者以太网），CAN节点与节点之间不会传输大数据块，一帧CAN消息最多传输8字节用户数据，采用短数据包也可以使得系统获得更好的稳定性。CAN总线具有总线仲裁机制，可以组建多主系统。
1.CAN节点的电容：
汽车CAN总线设计规范对于CAN节点的输入电容有着严格的规定，每个节点不允许添加过多容性器件，否则节点组合到一起后，会导致总线波形畸变，通讯错误增加。具体如表 1所示。为汽车测试标准GMW3122中的输入电容标准。电容通常都是PF极的，比较常见。在能够滤除噪声干扰的前提下，保证通讯质量。
所以每个厂家在上车前，都要测试CAN节点DUT（被测设备）的CANH对地、CANL对地、CANH对CANL的输入电容。方法一般是使用GMW3122汽车测试标准中的CAN方法。如图所示。
而这样的测试方法，有着比较大的局限性，只能看一个波形的放电时间进行测量和计算，人工误差较大，通过多次的统计，然后进行平均，非常消耗时间。另外由于电容属于非线性器件，使用方波测量，无法有效排除直流分量。
2.CAN终端电阻：
顾名思义就是加在总线末端的电阻。此电阻虽小，但在CAN总线中却有十分重要的作用。
终端
CAN总线终端电阻的作用有两个：
一、提高抗干扰能力，确保总线快速进入隐性状态。
二、提高信号质量。
提高抗干扰能力
CAN总线有“显性”和“隐性”两种状态，“显性”代表“0”，“隐性”代表“1”，由CAN决定。图1是一个CAN收发器的典型内部结构图，CANH、CANL连接总线。
图1
总线显性时，收发器内部Q1、Q2导通，CANH、CANL之间压差；隐性时，Q1、Q2截止，CANH、CANL处于无源状态，压差为0。
总线若无负载，隐性时电阻阻值很大，外部的干扰只需要极小的能量即可令总线进入显性（一般的收发器显性门限最小电压仅500mV）。为提升总线隐性时的抗干扰能力，可以增加一个差分负载电阻，且阻值尽可能小，以杜绝大部分能量的影响。然而，为了避免需要过大的总线才能进入显性，阻值也不能过小。
确保快速进入隐性状态
在显性状态期间，总线的寄生电容会被，而在恢复到隐性状态时，这些电容需要放电。如果CANH、CANL之间没有放置任何阻性负载，电容只能通过收发器内部的差分电阻放电。我们在收发器的CANH、CANL之间加入一个220PF的电容进行模拟试验，位速率为500kbit/s，波形如图2、图3。
图2
图3
从图3看出，显性恢复到隐性的时间长达1.44μS，在点较高的情况下勉强能够通信，若通信速率更高，或寄生电容更大，则很难保证通信正常。
为了让总线寄生电容快速放电，确保总线快速进入隐性状态，需要在CANH、CANL之间放置一个负载电阻。增加一个60Ω的电阻后，波形如图4、图5。从图中看出，显性恢复到隐性的时间缩减到128nS，与显性建立时间相当。
图4
图5
提高信号质量
信号在较高的转换速率情况下，信号边沿能量遇到不匹配时，会产生信号反射；传输线缆横截面的几何结构发生变化，线缆的特征阻抗会随之变化，也会造成反射。
在总线线缆的末端，阻抗急剧变化导致信号边沿能量反射，总线信号上会产生，若振铃幅度过大，就会影响通信质量。在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻，可以将这部分能量吸收，避免振铃的产生。
我们进行了一个模拟试验，位速率为1Mbit/s，收发器CANH、CANL接一根10m左右的双绞线，收发器端接120Ω电阻保证隐性转换时间，末端不加负载。末端信号波形如图6，信号上升沿出现了振铃。
图6
若双绞线末端增加一个120Ω的电阻，末端信号波形明显改善，振铃消失，如图7。
图7
一般在直线型中，线缆两端即是发送端，也是接收端，故线缆两端需各加一个终端电阻。
为什么选120Ω
任何一根线缆的特征阻抗都可以通过实验的方式得出。线缆的一端接，另一端接一个电阻，并通过观察电阻上的波形。调整电阻阻值的大小，直到电阻上的信号是一个良好的无振铃的方波，此时的电阻值可以认为与线缆的特征阻抗一致。
大部分线缆都是单线的。如果你采用两根汽车使用的典型线缆，将它们扭制成双绞线，就可根据上述方法得到特征阻抗大约为120Ω，这也是CAN标准推荐的终端电阻阻值。
3.CAN总线共模电感/共模扼流圈
将共模扼流线圈串入差动传输线，能够有效去除共模噪声。
差动传输的放射噪声
所示共模扼流线圈串入差分信号线，共模扼流线圈能够使数据传输时必要的差模信号通过，同时降低共模噪声。
串入差分信号线的共模扼流线圈
共模扼流圈的作用
共模扼流圈实质上是一个双向滤波器：一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的共模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，可以用来抑制共模电流骚扰。
作为CAN和车载Ethernet这种差分接口的噪声对策产品，一般会使用共模扼流圈。共模扼流圈的基本构造如图1所示：一个磁芯里面有两根绕线。这两个绕线对应的逆向电流流过时磁芯里产生的磁通会相互反向抵消，而同向的电流流过时磁通会相互向同方向产生，因此阻抗较高。通过这种方式共模扼流圈可以通过相互反向的差分信号但是却可以抑制同向传输的共模噪声。
关于CAN中的噪声对策产品，村田公司已经将对应的共模扼流圈DLW43SH系列产品化。该系列产品的外观以及主要特征如图2所示。DLW43SH系列是使用在CAN和FlexRay等车载LAN中的噪声对策用共模扼流圈，是尺寸为4.5×3.2×2.6mm的表面贴装品。特性值最大为100μH的共模电感，此外，DLW43SH的截止频率约为1000MHz，可对应高速差分信号对高频的要求。使用温度范围在-40~+125℃，因此适用于车载的广泛应用。
作为DLW43SH系列的小型化产品，DLW32SH系列目前正在开发中。该系列的外观以及主要特性如图3所示。DLW32SH系列的尺寸为3.2×2.5×2.3mm具有小尺寸特点，并且与DLW43SH系列相比，可实现同等性能。其构造的特征是在产品端子部分使用了金属支架，可以缓和由于温度变化产生的热伸缩影响，适用的温度范围达到了-55~+150℃。
此外，村田公司目前正在开发作为车载Ethernet用共模扼流圈的DLW43MH系列。该产品的外观以及主要特性如图4所示。DLW43MH系列的尺寸和DLW43SH系列同为4.5×3.2×2.6mm，共模电感值提高到了200μH，因此在较宽的频带中能起到有效的噪声对策效果。由于在绕线上下足了功夫并且改善了共模转差模噪声，因此噪声改善效果会更加好。
噪声对策效果的确认
为了确认CAN中DLW43SH系列和DLW32SH系列的噪声抑制效果，我们使用CAN的评估板进行了噪声测定。噪声测定是在村田公司的电波暗室内进行的，在汽车电子设备标准规定CISPR25的测试环境中进行了峰值检测测定。评价板是用收发器的TXD端子向CAN输入250kHz的脉冲信号，与此同时输出的CAN信号被传送到电缆中就可以检测噪声了。使用的共模扼流圈是DLW43SH510XK2和DLW32SH510VK2。测定结果如图5所示。根据图5所示产生了信号频率为250kHz的高频噪声，但是因为使用了共模扼流圈，噪声被压制了最大20dB的程度。
接下来要说的是车载Ethernet的噪声对策评价的结果。所谓测定，是使用车载Ethernet对应的通信评价板，测定板之间在通信过程中放射出的噪声。测试环境是如上所述的和CAN相同的CISPR25标准的测试环境。使用的共模扼流线圈是DLW43MH201XK2。测试结果如图6所示。由图6所知，如果不使用共模扼流线圈的话在66MHz时会产生噪声，并且还会产生高频段的噪声，而使用DLW43MH201XK2的话噪声峰值部分相对降低了，显示表明在较宽频带中噪声得到了控制。
面向车载市场的村田的噪声对策产品以CAN和车载Ethernet为例介绍了共模扼流线圈DLW43SH系列、DLW32SH系列、DLW43MH系列的产品并且展示了噪声对策事例。村田公司今后还将继续充实面向车载市场的产品阵容，为电子化的进程和解决汽车市场的噪声问题作出贡献。
