《利用电荷泵为CAN收发器供电设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《利用电荷泵为CAN收发器供电设计（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、运用电荷泵为CAN收发器供电设计在过去的数十年中，从汽车工业的发展趋势看，汽车制造对于舒服度、效率、环境和谐性的规定不断提高，对于性能和汽车安全性的盼望值也不断提高。在这一趋势的带动下，汽车中的电子子系统以及连接这些子系统的配线的数量大幅增长。线缆的增多导致汽车重量增长，固然也增长了成本。但是，在八十年代初期，Bosch公司推出了CAN总线网络，这种总线网络有效减少了线路连接的复杂度，减轻了线缆重量并节省了成本，因而被广泛用于汽车工业。汽车制造从集中控制系统到分布式控制系统的转变有助于汽车厂商达到减少汽车重量和成本的目的。集中控制系统通过大量线缆将所有执行装置、传感器以及开关连接到控制系统，而
2、分布式管理系统将电子控制单元(ECU)放置在需要控制的位置，通过总线系统进行互相通信(例如：两线制CAN总线网络)(图1)。 CAN网络由多种收发器模块构成，这些收发器通过一对总线链接。每个模块为一种CAN收发器，用于支持合同控制器(微控制器、状态机或模块内的其他解决引擎)和物理介质(线缆)之间的物理层互联。这种新型CAN总线设计需要迅速原则化，以保证来自不同厂商的ECU之间对的通信。ISO(国际原则化组织)在1993年一方面对其实行了原则化定义，并在和做出了进一步修正。目前的ISO 11898原则已经被原始设备制造商(OEM)作为现行原则采用，用于所有汽车内部的CAN通信。为满足ISO原则并
3、提供对的的总线电平，大部分CAN收发器总线驱动器需要5V电源供电。但电子系统的主电源一般不能满足子系统的电源规定。这种状况下，提供的系统电源一般不能直接为CAN收发器供电，例如，系统也许只提供一种3.3V电源。有时由于空间限制无法容纳最合适的电源数量;有时则由于发热问题而无法直接从电池产生5V电压，特别是在电池电压较高的CAN通信系统中(如：汽车中采用双电池的状况，或者24V卡车系统)。可以运用电压转换器产生所规定的电源电压，对于低功耗、构造简朴的低成本设计，电荷泵一般是最佳的选择。它不需要昂贵的电感或额外的半导体器件，并且易于使用。电荷泵的选择1. 收发器电源目前市面上已有简朴、功能成熟的C
4、AN收发器，有些收发器需要单电源供电，而有些收发器需要多路电源供电。为了使来自不同ECU供应商的模块之间可以对的地互操作，并实现遵循ISO 11898原则的高速CAN通信，绝大多数模块需要一种满足最大容限规定的5V电源。有些收发器还带有内置I/O电平适配器。运用合同控制器的电源(作用在收发器单独的电源引脚)，电平适配器按比例调节收发器的I/O电平，使其达到控制器电平。由此，收发器可直接连接工作在5V如下的控制器，无需任何胶合逻辑。低功耗管理收发器支持本地和远程唤醒，因此带有此外一种电源引脚。该引脚必须由汽车电池持续供电且消耗的电流很小。因而ECU规定高速CAN总线虽然在点火钥匙“关闭”的条件下
5、也必须保持有效工作。有关CAN收发器其他引脚的功能描述，请参照选定器件的数据资料。2. 电源电流CAN总线一般处在两个逻辑状态之一：隐性或显性(图2)。正常通信模式下，收发器在显性状态下需要最大的输入电流，隐性状态所需的输入电流最小。此时I/O电平适配器和远程唤醒功能所消耗的电流可以忽视，由于它们一般消耗的是微控制器电源和汽车电池的电流，并且数值非常小。 总线浮现故障时，电源电流会显着增大，特别是在CAN_H线与地短路时。大多数收发器都会把短路电流限制在一种特定的最大值。为了避免电源电压跌落，最佳按照这种状况下的电流规定定义电荷泵的输出电流规格。基于上述考虑，为了给CAN收发器提供合适的电源，
6、规定电荷泵必须保持5V输出电压，并满足收发器数据资料中的标称电压容限，最小输出电流必须支持CAN_H短路到地的状况。运用MAX1759电荷泵为MAX13041收发器供电市场上可以找到多种老式的CAN收发器和电荷泵器件，本文重要关注MAX13041 HS CAN收发器和MAX1759 buck/boost稳压型电荷泵的设计，解决收发器供电问题。收发器通过VCC引脚供电，为支持原则的ISO 11898 CAN通信，VCC必须保持在4.75V与5.25V之间(标称工作电压范畴)。该电压在总线(CAN-H，CAN-L)之间建立对的的通信信号，并在IC处在正常工作模式时为接受电路供电。收发器的VI/O输
7、入使能3.3V I/O微控制器的接口电路，在控制器和收发器的接受/发送 (RxD/TxD)级建立对的的电平。固然，当与5V控制器通信时，VI/O引脚也可以由5V电源供电。VBAT引脚(一般连接到汽车12V电池)为具有极低静态电流的唤醒检测电路供电。根据CAN总线的信息，该引脚可以控制MAX13041从休眠模式唤醒。有关其他引脚的具体阐明，请参照MAX13041数据资料。正常通信模式下，MAX13041在显性状态需要的最大输入电流(VCC引脚)为80mA，隐性状态(图2)下为10mA。流入VI/O和VBAT的电流可忽视不计。当总线浮现故障时，VCC电源电流将显着增大，特别是当CAN_H信号线与地
8、短路时。MAX13041将短路电流限制在IO(SC) = 95mA。基于上述考虑，为了满足CAN收发器的供电规定，电荷泵必须具有稳定的5V输出电压，保证符合电压容限的规定，最小输出电流为95mA。1. 电荷泵规定MAX1759架构容许输入电压高于或低于稳压输出值。而本应用中，电荷泵仅作为升压转换器工作。当VIN低于VOUT时，电荷泵作为稳压型升压倍压器工作。轻载下，电荷泵仅在需要维持负载的供电能量时进行开关操作，消耗很小的静态电流。轻载时，输出电压纹波不会增大。有关电荷泵其他特性的具体阐明，请参照MAX1759数据资料。2. 实现3.3V方案从图3电路可以看出，用电荷泵为MAX13041供电非
9、常简朴。只需要把MAX1759连接到CAN收发器的VCC输入(蓝色虚线所示)，即可产生满足容限和输出电流规定的5V输出电压。该配备容许其他电路采用低压供电。本示例中，外部3.3V电源(绿色)为电荷泵(IN)、微控制器以及收发器的VI/O电平转换器供电。拉高电荷泵的/SHDN，使器件置于ON状态。MAX1759数据资料具体简介了有关输入/输出(CIN, COUT)电容和飞电容(CX)的选择。 3. 电磁兼容性电磁兼容(EMC)是CAN通信网络的一种设计挑战，特别是当采用开关型稳压器供电时。CAN系统的网络配线是一种核心问题，由于CAN收发器的CAN_H和CAN_L引脚是连接整个汽车总线网络的接口
10、。设计时如果不谨慎，也许从CAN电源产生较大干扰，干扰信号通过收发器，通过总线最后进入其他ECU，或进入邻近的线缆。这种干扰将导致通信故障或系统其他控制单元之间的传播故障。基于这一考虑，我们测试了采用MAX1759电荷泵供电的MAX13041的EMC特性，并与采用通过滤波的5V电源供电的收发器的EMC特性进行比较。由此，我们可以看到电荷泵的EMC干扰和电荷泵对CAN总线传播电源干扰的克制能力。在本测试中，我们重要考虑两个方面：电磁抗扰(EMI)和电磁辐射(EME)。4. 电磁抗扰测试(EMI)ISO 11452规范规定了几种抗RF干扰的测试措施，涉及大电流注入(BCI)、横向电磁波室(TEM-
11、cell)、带状线以及直接电源注入(DPI)。由于DPI措施具有较好的可反复性(采用精心设计的测试板)，并且测试工作量不大，因此我们选用了该措施。DPI测试原理非常简朴：向总线电缆注入特定的通过调制或未经调制的交流电压，通过收发器的RXD引脚检测传播数据的信号完整性。这种措施还便于比较不同厂商的设计，可以在独立的实验室测试CAN收发器(如IBEE)。5. 测试装置测试装置(图4)涉及三个焊接在PCB上的相似收发器，其中一种收发器由MAX1759电荷泵供电，节点1作为发送器，用于仿真CAN数据的比特流模板，数据由所有收发器接受并在RxD端口进行监测。对于Rx1至Rx3输出以及TxD1输入的RF去
12、耦，采用1k?电阻。每个收发器IC的VCC和VBAT电源端口采用陶瓷电容(C = 100nF)缓冲。唤醒引脚的电阻为33k?。将EN引脚和/STB引脚置于高电平，使器件处在正常工作模式。节点1的VCC电压由MAX1759电荷泵产生，电荷泵由3.3V供电。3.3V电源还用作节点1收发器的VI/O电压。 电荷泵输出电容C1为10F，飞电容C2为330nF，IN输入引脚采用10F电容去耦。测试电路中，总线端接采用60? R4电阻进行中心端接。对称的RF耦合/去耦采用RC并联网络，由R5/R6=120、C3/C4=4.7nF构成。外部3.3V、5V、12V电源由原则电源提供，通过滤波网络进行滤波。6.
13、 测试环节对正常工作模式下的CAN收发器MAX13041进行测试，在第一轮测试中，所有收发器采用原则VCC = 5V电源供电;第二轮测试中，其中一种收发器由电荷泵供电(图4)。模板发生器产生占空比为50%的500kbps方波，仿真节点1的TXD引脚的CAN信号(交替的0-1-0数据)。RF输入HF发生器(HF1)对CAN总线注入一种固定频率的调幅(AM)交流电压，功率为36dBm，用于模拟干扰信号。为评估克制特性，在馈入TXD的干扰信号的影响下，用示波器比较网络中三个收发器的Rx信号。根据所容许的0.9V最大电压偏差和0.2s最大时间偏差拟定屏蔽值，覆盖整个TXD信号波形。如果达到失效条件(例
14、如，如果一种收发器的RXD信号超过了所拟定的屏蔽窗口)，将所注入的RF功率降至0.2dBm，并按照特定的频率步长反复相似测试，直到解除失效状态。然后，记录目前的功率值并调节到下一频率步长。测试频率范畴覆盖10MHz至100MHz。7. DPI测试成果图5所示为原则5V电源作用在VCC为MAX13041供电时的测试成果(蓝色)，以及由电荷泵为MAX13041供电时的测试成果(粉色)。X轴表达频率范畴，Y轴表达没有发生失效的状况下作容许的最大注入功率。 蓝线和粉线几乎相似，表白该电路的EMI特性重要取决于CAN收发器自身的EMI敏感度，而非电荷泵的EMI敏感度。因此，当电路受到任何EMI干扰时，为
15、MAX13041 CAN收发器供电的MAX1759电荷泵不会明显影响电路性能。8. 辐射测试(EME)辐射测试在同一种电路板进行，除了将功率注入电路(HF发生器)替代为频谱分析仪外，测试装置与DPI测试相似。测试也是在CAN收发器正常工作模式下进行。第一轮测试在所有收发器采用原则VCC = 5V电源供电条件下进行;第二轮测试在一种CAN节点由电荷泵供电的条件下进行。在CAN TXD输入作用一种方波信号(仿真500kbps的传播比特流)，CAN总线的辐射由频谱分析仪在100kHz至1GHz频率范畴内进行测量和记录，无需示波器(图4)。9. 辐射测试成果图6给出了原则5V电源作用在VCC为MAX13041供电的测试成果(蓝色)，以及电荷泵供电条件下的MAX13041测试成果(粉色)。X轴表达频率范畴，Y轴表达干扰信号电平。 与采用原则5V供电的MAX13041 (蓝色)相比，蓝线峰值和粉线峰值(
