CAN通信节点多时，如何减少寄生电容和保障节点数量？

导读

在汽车电子与工业控制等领域，CAN通信至关重要。本文围绕CAN通信，阐述节点增多时如何减少寄生电容的策略，同时从发送、接收节点等方面，讲解保障节点数量及通信可靠性的方法。

 如何减少寄生电容?

增加节点就会带来寄生电容的增加，节点增加到一定数量，波形严重失真，导致数据接收错误。硬件设计CAN电路时，需要总线抗受电磁兼容同时需要寄生电容小，直接给总线并联TVS瞬态抑制二极管，这些就可以？答案肯定是不行的，因为TVS瞬态抑制二极管的结电容高达1000pF以上，完全可以使波形变形。既要使用TVS瞬态抑制二极管，又不能使结电容很大，怎么解决？我们知道电阻并联阻值减少，电容并联容值增大。那么根据电容串联容值减少这一思路进行硬件设计，参考设计如图1所示。

图1 CAN电路设计1

如图1所示的CAN电路设计，二极管和TVS瞬态抑制二极管都是串联的关系，利用的是二极管单向导电性和小结电容特性。如果觉得分立元器件太多，可以参考如图2所示的电路设计，同等效果。

图2 CAN电路设计2

 如何保障节点数量？

在CAN-bus电路设计中，理论上收发器支持节点数最多可做到110个，但实际应用中往往达不到这个数量。今天我们就来谈谈如何通过合理的CAN-bus总线设计，保证CAN网络中的通讯的可靠性和节点数量。

影响总线节点数的因素有多种，我们从满足接收节点的差分电压幅值方面来讨论，只有满足了这个前提条件，我们才能考虑总线的其他因素如寄生电容、寄生电感对信号的影响。

1. 发送节点的CAN接口负载，为何考虑CAN接口负载？

CAN接口负载即为CANH、CANL之间的有效电阻值大小，该电阻会影响发送节点输出的差分电压的幅值，组网后网络中各个节点的负载电阻RL接近，如图3所示结果是我们测试了CTM1051M小体积CAN隔离模块在不同负载下的输出差分电压幅值。

图3 不同负载下的差分电压

在负载电阻由45Ω不断增大到66Ω时，节点的输出差分电压也随着由1.84V增大到2.16V，两者近似线性关系。为了使发送节点的输出差分电压不至于过低，实际组网时负载电阻应在图3的范围内波动。我们分析RL的组成有3个：终端电阻、总线节点的差分输入电阻、总线本身的有效电阻。

终端电阻：总线两端均需要增加终端电阻，当总线距离长时，总线有效电阻大，损耗大，可以适当增加终端电阻值以减小总线有效电阻的损耗，如150Ω~300Ω。

差分输入电阻：ISO 11898中规定的收发器差分输入电阻范围为10kΩ~100kΩ之间，CTM1051M系列收发器的差分输入电阻为19kΩ~52kΩ，其典型值为30 kΩ，如果我们以最多节点组网，按典型值考虑，则整个总线的差分输入电阻会达到30 kΩ/110=273Ω，与终端电阻并联时会显著增加节点的负载。

总线有效电阻：使用较小截面积的双绞线，其有效电阻达到几十欧姆，长距离通信，总线对差分信号的影响会很大，如常用的RVS非屏蔽双绞线的电阻从8.0Ω/km到39.0Ω/km不等。严重时会使接收点的电平达不到识别范围。

差分电压除负载电阻的影响外，还会受到供电电压的影响，图4是我们测试了CTM1051M模块在不同电压，不同负载下的差分电压幅值得到的曲线。可以看到电源电压升高0.5V，差分电压幅值会升高约0.3V。

图4 不同供电电压下的差分电压

2. 接收节点的识别电平

接收节点有一定的电平识别范围，CTM1051M的CAN接口典型参数如图5所示。

图5 CAN接口典型参数节点输入显性电平应大于0.9V。ISO 11898中，总线上的任意点的最小电平应大于1.2V，组网时我们应使差分电压大于此值。

3. 实际组网分析

目前收发器的最大组网节点数为110个，组网时我们考虑以上的电阻参数，确保总线上的差分电压在合理的范围内即可。图6所示为CTM1051M推荐的组网拓扑，我们要考虑总线电阻，终端电阻，发送点，接收点电压参数。

图6 CTM1051M推荐的组网拓扑

其等效电路如图7所示。

图7 CTM1051M组网等效电路

根据等效电路，我们可以调整的参数有终端电阻RT、发送节点电压VOUT、总线有效电阻RW。图7中，各节点的RW、RIN难以准确确定，组网时以公式计算较为繁琐，简便的方法便是测量总线两端的节点电压。如网络的总线电阻过大时，节点1到节点n总线对信号的损耗会很大，当节点n接收的差分电压低于1.2V时，需要增大终端电阻。在使用浪涌抑制器的场合，比如在图7的节点1和节点2之间增加SP00S12信号浪涌抑制器，其直流等效电阻为9.5Ω，可以将其等效为总线的有效电阻，当节点1收到的电压过低时可通过减小总线有效电阻，提高节点1处的终端电阻来弥补浪涌抑制器带来的损耗。