CAN电路的隔离设计

1、为什么CAN需要隔离

两个独立的系统长距离传输信号，各自的系统拥有独立的电源与参考地平面，且无法通过线束共地，那么两个独立系统之间传输信号会出现共模电压干扰，CAN隔离主要能够抵抗如下干扰：

 

• 共模耐压与信号骚扰：

• 共模耐压：两个系统之间通过CAN总线传输数据，但是两个系统的CAN信号参考地电平都是各自独立的。两个系统的参考地之间存在较大的电势差，就会造成共模电平，当这个共模电平达到一定程度以后，会超过CAN芯片的共模耐压水平（常规CAN芯片共模电压-12V~12V，CA-3062芯片保证器件不损坏的共模耐压为-40V~40V），损坏CAN芯片

• 浪涌、ESD：

• 两个系统的参考地与大地之间存在一定的阻抗，当人体静电或者浪涌电流经过某一端的系统并流向大地的时候，此系统会产生高达上千伏的共模电压（地势抬高），导致对端的设备芯片损坏

• CAN总线在工业、汽车设备里经常会与一些大的开关电流线（如电机、空调压缩机）整体部署在一起，大的开关电流会通过线束耦合到CAN总线上，引起CAN总线信号恶化，接收端无法正确识别信号。

 

2、CAN隔离设计典型电路

CAN电路与系统之间做隔离设计，可以确保在系统参考地有较大共模干扰的情况下，保持CAN芯片参考地的独立性。两个系统的CAN都保持独立性可以免受系统级共模干扰的影响。

常规的CAN隔离设计，考虑两个因素。一个是信号隔离，另外一个是电源隔离。以ISO 1050典型应用电路为例。

• 隔离电源，采用flyback 隔离电源设计，确保总线测的供电电源与逻辑测的供电电源完全隔离（不考虑原级与次级侧的耦合）

• 隔离信号，一般是二氧化硅电容隔离,通过电容耦合的方式传递总线信号到逻辑侧

• 隔离地，根据需要确认是否要在总线拓扑上增加隔离地与总线其他节点连接，下文会单独讨论。

 

3、关于总线接地

大部分应用场景下，CAN总线拓扑上的节点都是只通过CAN_H，CAN_L两跟总线连接的，并没有出线总线各个节点之间出线共地设计。为什么不需要共地设计呢，我们可以从CAN芯片内部的设计来解析一下，如下图是NXP的一款高速CAN 收发器TJA1044的内部框图：

从图中我们可以看到CAN_H是由高边开关驱动，CAN_L是由低边开关驱动。我们都知道，CAN总线显性电平是CAN_H为高（3.5V）， CAN_L为低（1.5V)，CAN_H与CAN_L之间形成差分电压2V，CAN芯片的输入就是依据总线上的差分电压进行判定输入信号是0或者1. 下图是最简单的两个CAN节点（都是终端）示意图，当总线为显性的时候，信号驱动电流由设备A CAN_H流向设备B 的CAN_H，并通过总线端接电阻回流到设备A的CAN_L，形成一个完整的信号回路。设备B对总线的判定就是差分运放放大总线上的电压差给到芯片内部的逻辑判定电路，进行报文数据解析。因此，CAN总线设计，是不需要在两个系统之间共地设计的。

但是我们又会经常见到一些CAN总线连接，两个设备上会有共地设计（一般是屏蔽层接地），这是为什么呢？

上文我们分析过，CAN芯片的共模耐压能力不是无限的，一般芯片能够接收±12V共模电压以内可以正常识别信号，±30~40V之间可以保证芯片不损坏，超过这些范围，芯片就有可能损坏或者无法正常通信。因此在两个系统直接CAN共地，可以有效减少两个系统里CAN芯片的共模电压，防止共模干扰。这个接地是基于对总线的保护考虑而设计的。

 

4、EMI问题

• 原副边共模噪声辐射

CAN的隔离设计，因为引入了隔离电源，微型变压器在短时间内大电流切换会产生电磁辐射，引起较大的噪声，容易产生辐射干扰问题。隔离电源并非理想的变压器，微型变压器的漏感及初级的层间电容、原副边的耦合电容等寄生参数为寄生电流提供了耦合到副边的通道，如果有一条通道，能够让寄生电流返回到原边，那么就不会产生很大的辐射。如果没有这种路径，这些寄生电流会成为次级侧输出电源与隔离地上的共模电流，这些共模电流会形成偶极天线，产生较强的辐射干扰。

可以通过增加原副边地之间的Y电容，提供寄生电流的回流路径，将噪声源约束在一个较小的范围内，减少共模噪声对外辐射。Y电容可以是实际的贴片电容，或者是依靠PCB GND之间的叠层设计，形成PCB拼接电容。

 

贴片电容：存在分布电感，导致高频特性效果差

PCB拼接电容：分布电感小，高频特性好，覆盖频率宽

PCB拼接电容计算公式：

 

 其中：

为PCB两层信号层的相对介电常数，FR4材料一般为4.5

自由空间的介电常数8.854*10^-12F/m

S两层信号层交叠面积

d 信号层相对间距

 

 

• 系统线束共模噪声辐射

由于原边的电源一般为开关设计，原边侧的地上会有较大的开关电流，这些开关电流会通过电源与地线，叠加到系统的供电电源与参考地上，通过供电线束辐射出去，导致CE/RE超标（下图中红色路径）。如果出现此问题，可通过磁珠+电容滤波组合，约束噪声路径到最小范围（下图中绿色路径），减少整机线束对外辐射。

 

CAN EMI 项目案例

某项目的隔离CAN 电路如下：

 

• 问题

单板带CAN电路RE测试（GB 4824-2019 Class B），测试通过，水平天线方向略差。

 

 

单板与整机功率模块组装后，测试不通过，水平方向高频超标压线。（低频部分超标是功率模块引起）

 

 

 

• 原因分析：

单板测试通过，组装后，增加了CAN总线与功率模块连接，CAN总线上耦合的电源噪声流过功率板，功率板CAN GND与功率板系统GND共地设计，被测单板系统地也是与功率板共地设计。因此CAN上的噪声通过共地返回到CAN 隔离电源的原边侧，因为CAN电路开始设计并没有预留Y电容以及共地设计，导致噪声回流路径（红色部分）阻抗非常大，噪声只能通过辐射的方式回到副边侧，最终造成RE辐射超标。

 

• 整改措施：

• 原副边之间噪声整改，如上描述整改方案，增加磁珠+滤波电容

• 总线系统间噪声整改，改Y电容，减少辐射（因项目进度原因，未及时验证），采用更直接的方式，将原副边共地，让噪声有一个完整的回流路径。

因为此系统最终方案是被测单板与功率板近距离接CAN总线且没有较大的共模感染，因此选择共地，任何频率的回流阻抗都足够小。如果需要隔离设计，建议根据噪声频段详细计算Y电容大小整改。 

• 整改后的测试结果：

高频部分测试通过且余量足够大（低频部分因为功率板整改引起超标）

 

5、CAN总线的保护设计

参考CAN总线隔离后如何接地？ (zlgcan.com)