高速CAN FD收发器的总线网络电磁干扰原因分析

CAN总线技术应用领域越来越广泛，但是由于在工业设备、工业自动化等领域，电磁干扰较为严重，保证CAN总线的正常通信尤为重要。

一、CAN FD网络下电磁兼容分析

在电子产品的设计中，电磁兼容EMC性能对系统的影响非常大，关系到其能正常稳定运转。世界上已经开始对电子产品的电磁兼容性做强制性限制，电磁兼容性能已经成为产品性能的一个重要指标。

电磁兼容主要有两方面的内容，一个是产品本身对外界产生不良的电磁干扰影响，称为电磁干扰发射EMI；另一个是对外界电磁信号的敏感程度称为电磁敏感度EMS。干扰源、相合途径及敏感设备是电磁兼容的三要素，缺一不可。电磁兼容的详细内容如图1所示。

图1 电磁兼容

如图1所示,电磁干扰信号的耦合途径有传导和辐射两种。而根据耦合结果不同，干扰又分为共模干扰和差模干扰,共模干扰存在于所有的信号线(包括信号线、数据线和电源线等)和地线之间，而差模干扰存在于信号线之间。

提高电磁兼容性措施的有三个方面：提高电子设备本身的EMC性能、对辐射性耦合使用屏蔽技术加以抑制、对传导耦合采取隔离加以抑制。

1.EMC设计

系统主站和从站电路板的设计对系统的EMC至关重要,而一个电路板的电磁辐射能力和接收能力往往是一致的。因此，在提高电路板抗干扰能力的同时，也抑制了电路板的电磁辐射。PCB板的EMC设计主要因素有以下几点:

(1)元器件选择和布局

选择EMC性能好的元器件，并尽量选择表面贴装的封装形式。器件合理布局，把相互有关的器件尽量放得靠近些，使各部件之间的引线尽量短。特别是微控制器和CAN控制器的时钟源晶体一定按规定放置，否则会不起振。

(2)合理布局地线，降低地线阻抗

地线电平是所有信号的参考电位。理想状态下，电路板上所有的地线应该等电位，但是由于地线阻抗的存在导致地线各点电位有差异，所以应该尽量减小地线阻抗。最有效的办法是做多层板，在中间专门设置一层地线面。

(3)稳定电源

电路中逻辑门输出状态切换时的瞬时效应、电源线阻抗的存在等不理想状态总会使电源线产生噪声，这些噪声不仅会造成电路工作的不正常，而且会产生较强的电磁辐射。除了设置电源线网格来减小电源线的电感和阻抗外，还可以使用储能电容。

2.电磁辐射和电磁屏蔽

电磁屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一，电磁屏蔽不影响电路的正常工作，不需要修改电路。屏蔽体的有效性用屏蔽效能来度量，包括反射损耗和吸收损耗两部分。保持屏蔽体的导电连续性是电磁屏蔽效能的关键CAN总线电缆具有很强的干扰辐射和干扰接收能力。

双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且双绞线的每两个相邻回路上感应出的电流具有相反的方向,相互抵消。双绞线的绞节越密，则效果越明显，如图2所示。为了减小系统网络中两路CAN总线之间的串扰，应该将两组双绞线分别屏蔽，电缆中不使用的导线接到信号地。

图2 增加双绞密度，屏蔽接地

3.传导干扰和信号隔离

系统正常工作时，产生较大传导性干扰的环节有：开关电源、何服驱动器、IO控制设备等。而危害更大的干扰则是瞬态干扰，它的特点是时间短、幅值大、功率小。

瞬态干扰的形式有：电机状态改变时产生的电快速脉冲群干扰，雷电或大功率开关在电缆上产生的浪涌，静电放电感应等。传导干扰以共模形式居多，也有部分差模干扰。在系统中为保证CAN总线通讯的可靠性而使用的EMC措施有：信号保护器、瞬态抑制二极管TVS、隔离收发器、光电隔离等。

(1)信号保护器 

外接专用的信号保护器消除干扰，如ZF-12Y2消耗干扰强度和CANFDbridge网桥做隔离。

图3 信号保护器与CANFDBridge隔离

(2)瞬态抑制二极管TVS

瞬态抑制二极管并联在信号线和信号地之间，用来保护电缆受到雷击或静电放电时产生的浪涌高压。当TVS上的电压超过一定的幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉，并将电压的幅度限制在一定的范围内。

（3）隔离收发器