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CAN總線抗干擾的6條“軍規(guī)”

作者:ZLG致遠電子 時間:2017-04-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  隨著總線在電動汽車、充電樁、電力電子、軌道交通等電磁環(huán)境比較惡劣的場合應(yīng)用越來越多,信號干擾的問題已經(jīng)嚴重影響到使用者對總線的信任。究竟如何才能抗干擾?本文展示了致遠電子總線抗干擾的6條“軍規(guī)”。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/201704/358501.htm

  在汽油車時代,CAN總線遇到的干擾少之又少,即使有一些繼電器和電磁閥的脈沖, 也不會有很大影響,稍微進行雙絞處理,完全可以實現(xiàn)零錯誤幀。

  可是到了電動汽車年代,逆變器、電動機、充電機等大功率設(shè)備對CAN的影響足以中斷通訊,或者損壞CAN節(jié)點,如圖1圖2所示,就是被逆變器干擾的CAN波形。

    

  圖1 干擾前 圖2 干擾后

  面對干擾,各個汽車廠、零部件廠,測試診斷設(shè)備的廠商都紛紛研究抗干擾之“妙方”,以保證CAN穩(wěn)定運行。本文就以廣州致遠電子有限公司15年的CAN現(xiàn)場故障排查經(jīng)驗,介紹抗干擾6條“軍規(guī)”。

  1.CAN接口增加與保護

  干擾不但影響信號,更嚴重的會導(dǎo)致板子死機或者燒毀,所以接口和電源的是抗干擾的第一條“軍規(guī)”.的主要目的是:避免地回流燒毀電路板和限制干擾的幅度,保護控制器不死機。如圖3所示,為未隔離時,兩個節(jié)點的地電位不一致,導(dǎo)致有回流電流,產(chǎn)生共模信號,CAN的抗共模干擾能力是-12~7V,超過這個差值則出現(xiàn)錯誤,如果共模差超過±36V,燒毀收發(fā)器或者電路板。

    

  圖3 未隔離時的地回流

  而增加CTM1051KAT隔離模塊后,如圖4和圖5所示。隔絕了地回流,限制了干擾幅度。

    

  圖4 CTM1051KAT隔離模塊

    

  圖5隔離地回流

  增加隔離后,是否萬事大吉了?肯定不是,隔離只是阻擋,如果干擾強度很高,比如達到2KV浪涌,隔離也會被破壞。所以要想達到更高的防護等級,必須增加防浪涌電路。如圖6所示,為致遠電子高速總線標準防浪涌保護電路。

    

 

  圖6 信號保護電路

  此保護電路可達4KV浪涌而不損壞,不過注意如果要通過2500VDC耐壓測試時,需要將GDT和R3拆除,防止高壓擊穿導(dǎo)致測試不通過。

  2. CAN線提高雙絞程度

  CAN總線為了提高抗干擾能力,采用CANH和CANL差分傳輸,達到效果就是遇到干擾后,可以“同上同下”,最后CANH-CANL的差分值保持不變。如圖7所示。

    

  圖7 差分抗干擾示意圖

  可是,這種抗干擾能力,必須的條件是,CANH和CANL要很緊密地靠在一起,否則受到的干擾強度就不一樣,就會導(dǎo)致差分信號受到干擾。所以CANH和CANL要緊密地絞在一起,通常雙絞線只有33絞/米,而在強干擾場合,雙絞程度要超過55絞/米才能達到較好的抗干擾效果。另外線纜的芯截面積要大于0.35~0.5 mm2 ,CAN_H對CAN_L的線間電容小于75 pF/m,如果采用屏蔽雙絞線,CAN_H (或CAN_L) 對屏蔽層的電容小于110 pF/m??梢愿玫亟档途€纜阻抗,從而降低干擾時抖動電壓的幅度。

    

  圖8 雙絞線

  3. CAN線保證屏蔽效果與正確接地

  帶屏蔽層的CAN線,可以良好地抵御電場的干擾,等于整個屏蔽層是一個等勢體,避免CAN導(dǎo)線受到干擾。如圖9所示,為一個標準的屏蔽雙絞線,CANH和CANL通過鋁箔和無氧銅絲屏蔽網(wǎng)包裹,如圖9所示。需要注意的是和與接插件的連接,在連接部分允許有短于25 mm 的電纜不用雙絞。

    

  圖9 屏蔽雙絞線

  較好的CAN屏蔽線帶有2層屏蔽層,稱為雙層屏蔽線,其中內(nèi)層的CAN_GND是與CAN收發(fā)器的地連接,外層的Shield是與外殼大地相連。內(nèi)層可以平衡信號的地電位,抑制共模干擾,減少錯誤幀,但強干擾時收發(fā)器損壞率會提高;外層可以泄放電荷到大地,如圖10所示。

  圖10 雙層屏蔽線

  使用屏蔽線后,在屏蔽層沒有良好接大地前,屏蔽線是不起作用的。所以我們要選擇一種接地方式。通常來說,屏蔽層單點接地可以避免地回流(不同位置的地電位不同而導(dǎo)致的產(chǎn)生電流)、多點接地可以加快高頻干擾信號的泄放。所以要根據(jù)實際情況選擇合適的接地方式。如圖11所示。

  圖11 屏蔽層接地方法

  在CAN的應(yīng)用場合,由于距離一般都較遠,所以大部分采用屏蔽層單點接地的原則,在干線上找一點將屏蔽層用導(dǎo)線直接接地,該點應(yīng)是所受干擾最小的點,同時該點位于網(wǎng)絡(luò)中心附近。

  4. CAN線遠離干擾源

  遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法,如果CAN線與強電干擾源遠離0.5米,干擾就基本影響不到了。可是在實際布線中,經(jīng)常遇到空間太小而不得不和強電混在一起,如圖12所示,為某新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng),CAN線與驅(qū)動線混在一起,結(jié)果導(dǎo)致干擾很大。只要與CAN并行的驅(qū)動線,具備2A/秒的電流變化,就會耦合出強磁場而導(dǎo)致CAN線上出現(xiàn)干擾脈沖。所以CAN線必須要和電流會劇烈變化的線纜遠離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機驅(qū)動線等。

  圖12 布線亂問題

  而解決這個問題,只能盡量保證強電與弱電分開捆扎,距離上盡量遠離。實在避不開,也要垂直交叉,也不能平行布線。

  5. 增加磁環(huán)或者共模電感

  使用抗干擾的磁環(huán),目的就是削弱特定頻率的干擾的影響。如圖13所示,為增加磁環(huán)的效果。CAN差分線纜可以兩線一起加,或者單端單獨加。

  圖13 增加磁環(huán)

  磁環(huán)的效果可以大大削減特定頻率的干擾強度,在增加磁環(huán)前,需要用CANScope或者示波器FFT快速傅里葉變化功能,測試出最高干擾的頻率,然后向磁環(huán)廠家定制對應(yīng)頻率的磁環(huán)。如圖14所示。為增加磁環(huán)前和增加磁環(huán)后的FFT的結(jié)果??梢钥闯龈蓴_強度明顯減小。

  圖14 增加磁環(huán)后的效果

  需要注意的是增加磁環(huán)或者共模電感時,不可隨意添加,如果適應(yīng)頻率不對,則會影響正常信號通訊。

  6. CAN轉(zhuǎn)為光纖傳輸

  抗干擾的終極手段就是把CAN轉(zhuǎn)化為光纖傳輸,光纖是一種無法被電磁干擾的傳輸介質(zhì)。如果前5種抗干擾手段均無法解決干擾問題,可以把CAN轉(zhuǎn)化為光纖,實現(xiàn)“無懈可擊”。如圖15所示。為使用致遠電子的CANHub-AF1S1和CANHub-AF2S2組合的光纖主干網(wǎng)絡(luò)。

  圖15 使用光纖轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)光纖主干傳輸

  致遠電子擁有近20年的CAN總線系統(tǒng)解決方案,形成產(chǎn)品系列最全的CAN總線設(shè)備家族。具備一支經(jīng)驗豐富的CAN故障診斷和測試的技術(shù)團隊,可以給客戶提供全套的技術(shù)服務(wù)支持。

  圖16 致遠電子CAN解決方案家族



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