CAN总线到底要不要加共模电感？
时间：2021-09-06 15:22:35
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导读
之前在进行一款产品设计时，采用了模块化的硬件设计思路，其中CAN总线部分采用之前较为“成熟”的方案，在CAN电路中设计了共模电感；但在产品实际运行时，出现CAN总线波形异常导致的通信失败；最终将电路中的共模电感更换为2个0欧电阻后，问题得到解决。那么问题来了，共模电感在CAN电路中到底起什么作用？是否可以去掉？本文将简单介绍共模电感用于总线的作用。
说在前面
我们在实际应用中看到许多CAN产品会使用共模电感，但在常规测试中却看不到它对哪一项指标有明显改善，反而影响波形质量。许多工程师为了以防万一，确保可靠，会对CAN增加全面外围电路。对于CAN总线要不要加共模电感，我们主要从电磁兼容方面考虑。
一：共模电感图1、图2分别给出了差模和共模干扰及其传输途径。差模干扰发生于两条传输线之间，共模干扰则在两条线中同时发生，其电势是以地为参阅。图1： 差模干扰及传输路径图2：共模干扰及传输路径共模电感是在一个磁环的上下两个半环上，分别绕制绕向相反、相同匝数的线圈。对于共模干扰：由于总线的共模干扰是相同的，所以在磁环中形成的磁力线相互叠加，电感阻抗增大大从而起到衰减干扰的作用。对于差模干扰：对差模信号在磁环中形成的磁力线是相互抵消的，并没有抑制作用，仅有线圈电阻及很小的漏感对差模信号有略微影响。共模电感本质上是一个双向滤波器，一方面滤除信号线上的共模信号干扰，另一方面抑制信号线本身不向外发出电磁干扰。图2中的干扰信号则能很好地被共模电感抑制，而差分信号则几乎无影响。
二：CAN总线特性
CAN收发器内部CANH、CANL分别是开源、开漏输出，驱动电路如下图所示。这种方式可以使总线轻松实现显性电平的驱动，而隐性电平则通过终端电阻放电来实现。图3：CAN收发器驱动电路
CAN总线是差分信号，使得CAN对于共模干扰有很好的抑制能力，如图4所示。通过CANH、CANL相减可很好地消除来自外部的共模干扰，但CANH、CANL并非理想对称，快速上升的跳变沿，这些均会带来EMC问题。我们通过示波器看总线波形很完美，测试静电，EFT，浪涌，传导骚扰抗扰均无异常。但测试传导发射，则不能满足限值要求，看起来很正常的总线实际却向外在发送传导干扰。图4：CAN传输波形
三：为什么要加共模电感
对于CAN接口的EMC问题，除了选用更好性能符号要求的CAN收发芯片，另一种简单的方法就是对CAN接口增加外围器件，其中共模电感是一种很好的选择。在现有汽车电子标准中，对传导骚扰限值有很严格要求。许多CAN收发器均达不到要求。如图5分别为按照车规限制测试增加和不加共模电感的CAN接口传导骚扰，共模电感值为51μH，可以看到在各个频段下对噪声改善较为明显，测试结果仍有很大裕量。
图5：传导骚扰测试共模电感对降低传导骚扰有明显作用，可帮助我们快速通过测试要求，满足现有汽车用要求，但总线增加共模电感也会带来两个问题：谐振和瞬态电压。共模电感不可避免地会有寄生电感和直流电阻。考虑到总线节点数量、通信距离等因素，会引起谐振，影响总线信号质量。如图6所示，绿色波形为增加共模电感的总线波形，信号下降沿有明显共振。此外，共模电感具有大电感，并且直接连接到收发器接口。在实际应用中，短路、热插拔等状态会在共模电感两端产生瞬态高压，严重时会直接损坏收发器。图6：增加共模电感的CAN波形
四：总结
共模电感用于总线的优缺点是显而易见的。它可以过滤信号线的共模干扰，衰减差异信号的高频部分，抑制CAN接口本身向外发出的电磁干扰，在传导骚扰中起到很好的改善作用。然而，应用时仍然需要考虑它们带来的谐振和瞬态电压。这些在长距离和多节点通信中不利于总线信号的质量，对一般工业应用场合没有严格的传导发射要求，因此不能增加共模电感。
End
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之前在进行一款产品设计时，采用了模块化的硬件设计思路，其中CAN总线部分采用之前较为“成熟”的方案，在CAN电路中设计了共模电感；但在产品实际运行时，出现CAN总线波形异常导致的通信失败；最终将电路中的共模电感更换为2个0欧电阻后，问题得到解决。那么问题来了，共模电感在CAN电路中到底起什么作用？是否可以去掉？本文将简单介绍共模电感用于总线的作用。
说在前面
我们在实际应用中看到许多CAN产品会使用共模电感，但在常规测试中却看不到它对哪一项指标有明显改善，反而影响波形质量。许多工程师为了以防万一，确保可靠，会对CAN增加全面外围电路。对于CAN总线要不要加共模电感，我们主要从电磁兼容方面考虑。
一：共模电感图1、图2分别给出了差模和共模干扰及其传输途径。差模干扰发生于两条传输线之间，共模干扰则在两条线中同时发生，其电势是以地为参阅。图1： 差模干扰及传输路径图2：共模干扰及传输路径共模电感是在一个磁环的上下两个半环上，分别绕制绕向相反、相同匝数的线圈。对于共模干扰：由于总线的共模干扰是相同的，所以在磁环中形成的磁力线相互叠加，电感阻抗增大大从而起到衰减干扰的作用。对于差模干扰：对差模信号在磁环中形成的磁力线是相互抵消的，并没有抑制作用，仅有线圈电阻及很小的漏感对差模信号有略微影响。共模电感本质上是一个双向滤波器，一方面滤除信号线上的共模信号干扰，另一方面抑制信号线本身不向外发出电磁干扰。图2中的干扰信号则能很好地被共模电感抑制，而差分信号则几乎无影响。
二：CAN总线特性
CAN收发器内部CANH、CANL分别是开源、开漏输出，驱动电路如下图所示。这种方式可以使总线轻松实现显性电平的驱动，而隐性电平则通过终端电阻放电来实现。图3：CAN收发器驱动电路
CAN总线是差分信号，使得CAN对于共模干扰有很好的抑制能力，如图4所示。通过CANH、CANL相减可很好地消除来自外部的共模干扰，但CANH、CANL并非理想对称，快速上升的跳变沿，这些均会带来EMC问题。我们通过示波器看总线波形很完美，测试静电，EFT，浪涌，传导骚扰抗扰均无异常。但测试传导发射，则不能满足限值要求，看起来很正常的总线实际却向外在发送传导干扰。图4：CAN传输波形
三：为什么要加共模电感
对于CAN接口的EMC问题，除了选用更好性能符号要求的CAN收发芯片，另一种简单的方法就是对CAN接口增加外围器件，其中共模电感是一种很好的选择。在现有汽车电子标准中，对传导骚扰限值有很严格要求。许多CAN收发器均达不到要求。如图5分别为按照车规限制测试增加和不加共模电感的CAN接口传导骚扰，共模电感值为51μH，可以看到在各个频段下对噪声改善较为明显，测试结果仍有很大裕量。
图5：传导骚扰测试共模电感对降低传导骚扰有明显作用，可帮助我们快速通过测试要求，满足现有汽车用要求，但总线增加共模电感也会带来两个问题：谐振和瞬态电压。共模电感不可避免地会有寄生电感和直流电阻。考虑到总线节点数量、通信距离等因素，会引起谐振，影响总线信号质量。如图6所示，绿色波形为增加共模电感的总线波形，信号下降沿有明显共振。此外，共模电感具有大电感，并且直接连接到收发器接口。在实际应用中，短路、热插拔等状态会在共模电感两端产生瞬态高压，严重时会直接损坏收发器。图6：增加共模电感的CAN波形
四：总结
共模电感用于总线的优缺点是显而易见的。它可以过滤信号线的共模干扰，衰减差异信号的高频部分，抑制CAN接口本身向外发出的电磁干扰，在传导骚扰中起到很好的改善作用。然而，应用时仍然需要考虑它们带来的谐振和瞬态电压。这些在长距离和多节点通信中不利于总线信号的质量，对一般工业应用场合没有严格的传导发射要求，因此不能增加共模电感。
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