淺析共模電感在CAN總線中的作用

在CAN節點的設計中，我們通常為了總線的通訊更為可靠，為CAN接口增加各種器件，但實際并非所有應用都需要，過多防護不僅增加成本，而且器件的寄生參數必然影響信號質量。本文將簡單介紹共模電感用于總線的作用。

我們在實際應用中看到許多CAN產品會使用共模電感，但在常規測試中卻看不到它對哪一項指標有明顯改善，反而影響波形質量。

許多工程師為了以防萬一，確?？煽?，會對CAN增加全面外圍電路。CAN芯片已經有很好的抗靜電，瞬態電壓能力，有些收發器本身也有很好的EMC性能，我們在應用中可根據設計要求逐個增加防護、濾波等外圍。

對于CAN總線要不要加共模電感，我們主要從電磁兼容方面考慮。

一、共模電感

先介紹共模干擾。圖1、圖2分別給出了差模和共模干擾及其傳輸路徑。圖中的驅動器及接收器為差分信號傳輸，類似CAN總線。差模干擾產生于兩條傳輸線之間，共模干擾則在兩條線中同時產生，其電勢是以地為參考。

圖1 差模干擾及傳輸路徑

圖2 共模干擾及傳輸路徑

共模電感是在一個磁環的上下兩個半環上，分別繞制相同匝數但繞向相反的線圈。共模干擾是相同的，所以在磁環中形成的磁力線相互疊加，電感阻抗大從而起到衰減干擾的作用。對于差模信號在磁環中形成的磁力線是相互抵消的，并沒有抑制作用，僅有線圈電阻及很小的漏感對差模信號有略微影響。

共模電感本質上是一個雙向濾波器，一方面濾除信號線上的共模信號干擾，另一方面抑制信號線本身不向外發出電磁干擾。圖2中的干擾信號則能很好地被共模電感抑制，而差分信號則幾乎無影響。

二、CAN總線特性

CAN收發器內部CANH、CANL分別為開源，開漏輸出形式，驅動電路如圖3所示。這種方式可以使總線輕松實現顯性電平的驅動，而隱性電平則通過終端電阻放電來實現。

圖3 CAN收發器驅動電路

總線固有的差分傳輸形式使得CAN對于共模干擾有很好的抑制能力，如圖4所示。通過CANH、CANL相減可很好地消除來自外部的共模干擾，但CANH、CANL并非理想對稱，快速上升的跳變沿，這些均會帶來EMC問題。我們通過示波器看總線波形很完美，測試靜電，EFT，浪涌，傳導騷擾抗擾均無異常。但測試傳導發射，則不能滿足限值要求，看起來很正常的總線實際卻向外在發送傳導干擾。

圖4 CAN傳輸波形

三、為什么要加共模電感？

對于CAN接口的EMC問題，除了選用更好性能，符號要求的CAN收發芯片，另一種簡單的方法就是對CAN接口增加外圍，共模電感是一種很好的選擇。在現有汽車電子CISPR 25標準中，對傳導騷擾限值有很嚴格要求。許多CAN收發器均會超過限值。如圖5分別為按照車規限制測試增加和不加共模電感的CAN接口傳導騷擾，共模電感值為51μH，可以看到在各個頻段下對噪聲改善較為明顯，測試結果仍有很大裕量。

圖5 傳導騷擾測試

共模電感對降低傳導騷擾有明顯作用，可幫助我們快速通過測試要求，滿足現有汽車用要求，但總線增加共模電感也會帶來兩個問題：諧振和瞬態電壓。共模電感不可避免地會有寄生電感，直流電阻，考慮總線節點數，通信距離等因素，會引起諧振，影響總線信號質量，如圖6，綠色波形為增加共模電感的總線波形，信號下降沿已有明顯的諧振。另外，共模電感感量較大，且直接節在收發器接口，實際應用中出現短路，熱插拔等狀態會使共模電感兩端產生瞬態高壓，嚴重時會直接損壞收發器。

圖6 增加共模電感的CAN波形

四、總結

共模電感用于總線的優缺點較為明顯，它可以濾除信號線的共模電磁干擾，衰減差分信號高頻部分，抑制CAN接口自身向外發出的電磁干擾，在傳導騷擾方面有很好地改善作用，但應用仍要考慮其帶來的諧振與瞬態電壓，這些在長距離，多節點通訊中對總線信號質量是不利的，對于一般工業應用對傳導發射并無嚴格要求，因此可不增加共模電感。

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圖7 CTM1051(A)HP的EMC性能

圖8 應用原理圖