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：随着汽车内各个系统的控制都在向智能化和自动化转变，汽车电气系统慢慢的变复杂，不同的OEM和汽车厂商纷纷研究定义不一样的汽车总线标准，以减少线束网络复杂度和降低电子系统的故障，同时降低整车成本。其中CAN总线在汽车总线中应用最为广泛，采用合适的网络拓扑以及提升EMC性能对CAN收发器在环境复杂的汽车应用中有着重要意义。纳芯微推出了多款能轻松实现不同系统应用的CAN收发器。本篇应用笔记主要对 网络中的节点数量计算以及收发器的外围电路设计选择进行介绍。
一个CAN网络中，总线所能支持挂载的最大节点数是衡量CAN收发器性能的一个重要参数。影响CAN总线节点数量的因素可以从CAN收发器的物理层和协议层两个方面去考虑。
首先物理层方面，总线节点的输出差分电压大小决定了CAN总线电平能否被正常识别，通讯能否正常进行，主要由总线负载电阻RL来决定，而RL取决千总线终端匹配电阻以及各节点总线差分输入电阻Rdif，我们大家可以通过如下方式从物理层角度去估算—个CAN网络的最大节点数。
图1 n个节点的CAN网络总线为挂载n 个CAN 节点的总线网络拓扑示意图，其中RT
dif为CAN收发器的总线差分输入电阻。能够最终靠电路等效的方法得到如下所示简易拓扑图：
如图2所示，Node1作为信号发送，Noden作为信号接收。从Node1端看进去的线路等效电阻为
dif为差分输入电阻，这里取20 kΩ；RL可支持的负载电阻范围为45Ω ~700Ω，当RL=45 Ω 时，n 取最大值为112。所以在此参数条件下的CAN总线网络中，最多可支持挂载112 个CAN 节点。从协议层方面来考虑，当总线节点数越多，总线越长，线路寄生越大，对于本地节点信号自发自收的工况下，总线寄生越大，有可能会引起回环回来的信号衰减较多，CAN控制器的采样发生错误，导致通讯异常；而对于相距较远两个节点之间进行通信的工况下，中间节点越多，线路越长，导致信号传播延时较长，接收端在接收到发送端发出的CAN信号后会进行帧内应答(ACK)，传播延时较长可能导致应答不及时，通讯失败。所以在计算CAN总线最大挂载节点数时，应考虑线路寄生以及传播延时的影响，具体实际的要求为由线路寄生较大引起的信号衰减不应使得CAN控制器的采样出现偏差，导致通讯异常；同时信号在传输路径上的传播延时应小于1/2的位时间，保证接收节点能够及时应答，不会导致通讯失败。
在汽车应用中，EMC问题一直是一个广泛关注的问题，而与传统汽车相比，新能源汽车的EMC问题更突出，因此对于汽车中大量使用的总线接口芯片的EMC性能要求也比较高。为了获得较好的EMC 性能，除了芯片设计的考虑之外，系统中芯片外围电路的补充完善也是至关重要的。这一部分将着重介绍一下CAN芯片外围电路的一些参考设计( 如图3 所示)。
共模电感的特性是对于共模信号表现较高的阻抗，对于差模信号表现较低的阻抗，所以对于共模噪声干扰有较强的抑制作用。在汽车CAN网络中，共模电感经常被用来提升系统EMC性能，除了能滤除掉系统本身通过CAN总线发射出去的干扰噪声，减小对其他系统的影响，同时也能抑制其它系统产生的干扰噪声对CAN总线通信的影响。
图4所示为NOVOSENSECAN收发器EMI测试结果，分别为总线加commonmodechoke（CMC）和不加CMC的测试结果，对比可见CMC对于通过CAN总线发射出去的电磁干扰有较强的抑制作用。
对于CMC电感值的选取我们应该从抑制总线共模噪声方面去考虑。在CAN总线的共模噪声频率处，CMC应具有尽可能高的电感值，表现为高阻抗抑制共模噪声的传播，电感值较小对于共模噪声的压制效果会不佳，而电感值较大又会有尺寸和成本方面的限制。建议对于500 kbps的CAN通信能够使用51 uH电感值的CMC，对于2 Mbps 的CANFD 通讯能够使用100 uH 电感值的CMC。
泄漏电感也称差模电感，对差模信号有一定的抑制作用。泄露电感较大可能会导致CAN信号产生振铃，影响CAN总线正常通讯。而一定的泄露电感，又能够更好的起到抑制CAN总线中差模电流的作用，提升系统的EMI性能。所以应该考虑泄露电感的影响，只要不在总线信号上产生较大振铃，干扰总线正常通讯，适当的泄露电感是有利的。
ds21参数来体现。Ssd12/Sds21参数差别越大，模式转换特性越大，表示CMC上下线圈的不对称性较大，会在CAN总线通信过程中引入新的共模噪声，降低CMC的EMI滤波性能。所以我们应选取Ssd12/Sds21两个参数比较接近的CMC。如图5所示为DLW32SH101XF2的阻抗与频率特性曲线。总的来看，CMC具有较高的共模阻抗，用以抑制共模噪声。在CAN总线通讯的频段，CMC具有较高的共模阻抗Zc
在CAN网络正常通讯过程中，如果总线发生异常故障，比如总线短路到BAT或者Vcc
，由于CMC的存在，可能会在总线上产生临近或者超过总线耐受电压的瞬态电压。对于NOVOSENSE系列的CAN收发器，这种因为总线短路在CMC上产生的瞬态过压，满足芯片总线引脚内部ESD防护电路的开启条件，总线上由于CMC感生出来的过压能量会通过内部的ESD防护电路完全泄放掉，不会对芯片造成任何损伤。
在具有多个节点的CAN网络中，我们通过总线连接各个CAN收发器的CANH、CANL引脚进行通信，通常会在首端节点和末端节点的总线上各并联一个电阻，其阻值一般与总线的特征阻抗保持一致，这个电阻的作用主要有以下几点：
CAN总线Ω，而CAN收发器隐性状态下的总线差分输入电阻为几十kΩ，发射节点的信号在经过总线传输到接收节点后，会发生信号反射，导致总线信号产生振铃，影响CAN网络的正常通信。在接收端并联一个与总线特征阻抗匹配的电阻后，能吸收掉信号到达接收端的多余能量，避免振铃的产生，保证信号的传输质量。
因为CAN收发器的输入差分电阻阻值为几十kΩ，在总线隐性状态下，外部的一些轻微干扰通过几十kΩ的电阻就非常有可能在总线上产生满足显性的差分电压，改变总线状态，所以要在总线处并联一个阻值较小的电阻来吸收外部的一些干扰，同时考虑到CAN收发器的总线输出电压范围，并联的电阻值应使得这一节点的外部等效负载电阻在45 Ω ~ 70 Ω 之间。
总线显隐切换的过程也可以看作是一个对电容的充放电过程。没有并联终端电阻的情况下，显性切换到隐性时，总线寄生电容仅通过CAN 收发器几十kΩ 的内阻进行放电，过程比较缓慢，会导致信号下降很慢，在一些通讯速率较快的网络中，会影响CAN 的正常通讯。通过在CAN 总线并联一个阻值较小的匹配电阻，能加速放电过程，加快总线信号的下降沿，使得总线由显性快速切入隐性状态。如图6、图7 所示，分别为不加终端电阻和加上终端匹配电阻时的CAN总线 不加终端匹配电阻CAN总线波形
图7 加60 Ω终端匹配电阻CAN总线所示，不加终端匹配电阻的情况下，总线由显性切换到隐性状态时，电平下降缓慢，几乎占据整个隐性bit位时间( 通讯速率=1Mbps)，会导致CAN通讯异常；而加了终端匹配电阻的情形下，电平下降较快，总线波形较为理想。
为了逐步提升CAN收发器的EMC性能，建议将单个终端匹配电阻分为两个相等电阻串联的方式，并在中间节点通过电容连接到GND，如图8 所示。这样的连接方式能为总线上的共模干扰提供额外的路径，逐步降低总线共模噪声的影响，同时也形成了一个RC低通滤波器，滤除一些高频噪声干扰。对那些处于CAN网络中的一些中间节点，也能够使用这样的端接电阻方法，逐步提升中间节点的信号质量，如图6所示。
图8 CAN总线网络各节点终端分立电阻示意图CAN网络的总线节点的CAN网络中，R
阻值约为2.3kΩ，则RS/2为1.15kΩ。同时为了保持CANH和CANL两条路径的对称，避免产生新的共模噪声，应选择精度比较高的电阻，尽可能使得阻值一致。
除了通过总线上加CMC以及采用分立终端匹配电阻的方法来提升CAN总线的EMC性能，分别在CANH和CANL上加一个对地电容，也可以滤除总线上的一些高频噪声，能在某些特定的程度上提升CAN总线的EMC性能。当然对地电容值的选取需要考虑多种因素，如果电容过大，会导致总线信号衰减，上升和下降时间增大，缩短bit 时间，影响总线正常通讯；同时对地电容容值与信号源的阻抗所组成的RC 低通滤波器截止频率应高于CAN总线的通讯速率，保证CAN总线的正常通讯。所以要考虑总线长度、节点数量、通讯速率等因素来选择正真适合的对地电容。一般建议对于2 Mbps的CANFD通讯，总线 ESD保护二极管
在汽车或者工业应用中，对于一些有外部连接接口的系统，在安装和维护过程中积累的过量电荷会通过接口线缆流入模块，这些放电能量足够高有可能高达几十kv，那么位于接口端的接口芯片就会首当其冲，被放电能量损坏，导致系统无法工作。所以保护接口收发器免受ESD的影响对于系统应用来说至关重要。对于CAN收发器，虽然芯片内部设计了相关的ESD保护电路，但是受限于芯片尺寸，一般总线端的ESD防护能力远远达不到一些环境下的ESD冲击。因此，需要用外部ESD保护二极管来提升系统端的ESD防护能力，瞬态电压抑制(TVS)二极管就是常用于外部ESD 防护的器件。对于TVS管的选取，除了要考虑其瞬时响应特性，能快速泄放瞬间大能量，我们还应注意以下几个参数：● 反向关断电压(V
)反向关断电压参数表征TVS管不导通状态下的最大电压。在CAN总线正常工作情况下，TVS管应处于截止状态，当CAN总线出现异常过压达到TVS击穿电压时，TVS管由高阻态变为低阻态，将总线异常过压导致的瞬时过流泄放到地。所以TVS管的反向关断电压应高于CAN总线的正常工作电压，否则就会影响CAN总线的正常通讯。一般TVS管的反向关断电压应高于CAN收发器总线的共模电压工作范围。
表征TVS管通过一定电流时的两端电压，在这个电压下，TVS管呈现低阻抗特性，正常的情况下V
表征在峰值脉冲电流下TVS管的最大钳位电压。在CAN系统应用中，TVS管的VCL应不超过总线的绝对最大额定电压(AMR)，否则就非常有可能损坏CAN收发器。● 峰值脉冲功率(PPP)峰值脉冲功率为峰值脉冲电流与钳位电压V
的乘积，PPP越大，给定最大钳位电压条件下，TVS管的瞬态浪涌电流吸收能力越大，TVS管的ESD保护效果更好。所以在选定V
表征在一定频率下TVS管的寄生电容大小。在CAN总线应用中，对于CAN总线通讯频率，应选择具有较低寄生电容的TVS管，避免对总线信号产生较大衰减，影响通信。TVS管应尽可能放置于模块对外连接处，以便快速将外部能量泄放到地。TVS管的走线应尽可能的短，以减少线路的寄生电感以及阻抗影响：寄生电感可能会引起VCL电压的增加，而走线阻抗则会降低TVS管对浪涌能量的泄放能力。（本文来源于《EEPW》202411）
