概述

　　如果保證MAX13041的VCC電源處于4.75V至5.25V (標稱工作電壓范圍),，則可滿足ISO 11898-2高速CAN通信" title="CAN通信">CAN通信標準[1],。也就是說，如果需要進行CAN通信,，必須采用5V電源為CAN收發(fā)器供電,。然而，系統(tǒng)設計中常碰到的問題是主電源無法滿足子系統(tǒng)的電源需求" title="電源需求">電源需求,。這種情況下,，無法直接使用現(xiàn)有電源：僅有一路3.3V" title="3.3V">3.3V電源或不能直接采用電池電壓獲得所有需要的電源。由于電路板空間有限,，不能包含所有電源,。有些情況下，直接從電池電源產(chǎn)生5V電壓可能無法接受,，因為存在散熱問題,，特別是在需要高電池電壓進行CAN通信的系統(tǒng)中(如，汽車中兩節(jié)電池供電的情況或在24V卡車系統(tǒng)中),。電壓轉換器能夠產(chǎn)生所需的各種電壓,，并且在要求低功耗、電路簡單和低成本應用中,，電荷泵通常是最佳選擇,。電荷泵便于使用，因為它們無需昂貴的電感或額外的半導體器件,。

　　選擇電荷泵

　　收發(fā)器電源

　　MAX13041的VCC引腳用于IC供電,，當IC處于正常工作模式時在總線、電壓基準和接收電路之間建立正確的通信信號,。VI/O輸入提供與3.3V I/O微控制器的接口,，在控制器和收發(fā)器之間獲得正確的電壓,。當然，當具體應用與這種控制器通信時,，該引腳可以接5V穩(wěn)壓器。

　　VBAT引腳(通常連接至汽車12V電池)為超低靜態(tài)電流的喚醒檢測電路供電,。該引腳用于激活MAX13041,，以便在收到CAN信息時從休眠模式下喚醒器件。如果檢測到VBAT電源上有欠壓情況,，則將收發(fā)器置于低功耗模式,。所有其它引腳的詳細說明請參考MAX13041的數(shù)據(jù)資料[2]。

　　電源電流

　　CAN總線處于下述兩種邏輯狀態(tài)的一種：隱性狀態(tài)或顯性狀態(tài)(圖1),。正常通信模式中,，MAX13041在顯性狀態(tài)下需要80mA的最大VCC輸入電流;隱性狀態(tài)下需要10mA。流入VI/O和VBAT的電流可以忽略,。然而,，當總線出現(xiàn)故障時，特別是如果CAN_H總線短接至地,，則VCC電源電流會明顯增大,。收發(fā)器將會把短路電流限制到IO(SC) = 95mA。不管怎樣,，這種條件下最好調(diào)節(jié)電荷泵輸出電流,。考慮到上述情況,，采用電荷泵提供CAN收發(fā)器所需電源,，該電荷泵可提供5V輸出電壓，電壓容差滿足上述要求,，且最小輸出電流可達95mA,。

 　　3.3V輸入至5V穩(wěn)壓輸出的電荷泵

　　盡管市場上有多種常規(guī)的電荷泵器件可供選擇，本文采用3.3V輸入,、5V穩(wěn)壓輸出的電荷泵MAX683解決供電問題,。該器件可在2.7V至5.5V輸入電壓下提供5V ±4%的穩(wěn)壓輸出。器件開關頻率調(diào)節(jié)范圍高達2MHz,，允許在100mA輸出電流下使用小尺寸外部電容,。

　　器件可工作在兩種模式：跳頻模式和固定頻率模式。跳頻模式下(低電平有效SKIP輸入 = 低電平),，當檢測到輸出電壓高于5V時禁止開關操作,。器件隨后進入跳頻模式，直到輸出電壓跌落,。由于器件工作在非連續(xù)模式,，這種調(diào)節(jié)方法使工作電流最小,。固定頻率模式下(低電平有效SKIP輸入 = 高電平)，電荷泵在所設定的頻率下連續(xù)工作,，這種調(diào)節(jié)方案的輸出紋波最小,。由于器件連續(xù)進行開關操作，輸出噪聲包含確定的頻率成分,，在指定的輸出紋波下電路允許使用非常小的外部電容,。但是，固定頻率模式消耗較大的工作電流,，輕載狀態(tài)下效率低于跳頻模式,。

　　MAX13041和MAX683 3.3V電路實例

　　從圖2所示電路可以看出采用電荷泵給MAX13041供電非常簡便，將MAX683連接至CAN收發(fā)器的VCC輸入(虛線),，即可提供5V輸出電壓,，容限和輸出電流均可滿足要求。該配置允許其余電路采用較低電壓供電,。本例中,，選用3.3V外部電源為電荷泵(IN)、微控制器以及收發(fā)器的VI/O電平轉換器供電,。電荷泵的低電平有效SKIP輸入置高,，器件置于固定頻率模式。開關頻率可由REXT電阻設置,。關于輸入/輸出電容(CIN,、COUT)、飛電容(CX)以及頻率設置電阻(REXT)的詳細說明,，請參考MAX683的數(shù)據(jù)資料[3],。


　   電磁兼容性

　　CAN應用中滿足電磁兼容性(EMC)要求是設計中所面臨的挑戰(zhàn)，特別是收發(fā)器采用開關電源調(diào)節(jié)器供電時,。CAN系統(tǒng)的電纜是實際應用中需要關注的問題,，因為CAN_H和CAN_L引腳連接至總線網(wǎng)絡，總線網(wǎng)絡涉及整個汽車的運轉,。如果不夠謹慎,，可能遇到干擾或產(chǎn)生干擾信號，通過CAN電源傳遞到收發(fā)器,，進而注入整個總線,，對相鄰電纜產(chǎn)生干擾。這些干擾會造成通信錯誤或系統(tǒng)的其它控制單元出現(xiàn)故障,?？紤]到上述因素，我們對采用MAX683電荷泵供電的MAX13041進行了EMC測試,，并與由標準5V電源供電的MAX13041的EMC性能進行對比,，觀察電荷泵對EMC干擾的影響,。在此，我們將考慮兩個方面：電磁干擾抑制(EMI)和電磁輻射(EME),。

　　抗擾性測試

　　ISO 11452規(guī)范給出了幾種針對RF干擾抑制能力測試的方法,，包括：大電流注入(BCI)、橫向電磁波箱(TEM-cell),、帶狀線以及直接射頻功率注入(DPI),。

　　我們采用DPI進行測試，原因是該方法具有高重現(xiàn)性(由于采用定義完善的測試板)和相對低的測試成本,。DPI測試原理是向總線電纜注入特定交流電壓,，該電壓可以經(jīng)過調(diào)制,，也可以未經(jīng)調(diào)制,，然后檢測收發(fā)器RXD引腳傳輸數(shù)據(jù)信號的完整性。這種方法還有助于比較不同供應商的設計;此外,，它利用獨立實驗室(例如,，IBEE-Ingenieur Buereo fuer industrielle Elektronik)測試CAN收發(fā)器。

　　測試裝置

　　測試裝置(圖3)包括三個同樣的收發(fā)器,，焊接到指定的PCB,，其中一片采用MAX683電荷泵供電。節(jié)點1作為發(fā)送器,，用于模擬在所有收發(fā)器的Rx_輸出端接收,、監(jiān)測到的CAN信息的位模板。Rx1至Rx3輸出以及Tx1輸入端的RF去耦均采用1kΩ電阻,。每片收發(fā)器IC的VCC和VBAT電源端均采用陶瓷電容(C=100nF)去耦,。喚醒引腳的電阻值為33kΩ。通過把EN引腳和低電平有效STB引腳置高,，可將器件置于正常工作模式,。節(jié)點1的VCC電壓由MAX683電荷泵提供，MAX683由3.3V供電,。3.3V電源還用于收發(fā)器節(jié)點1的VI/O電源,。

 　　通過跳線選擇電阻R1或R2，可使電荷泵在跳頻模式和固定頻率模式(CFM)之間切換,。電荷泵開關頻率通過59kΩ的R3電阻設置為2MHz,。電荷泵的輸出電容C1為4.7mF、飛電容C2為220nF,，并且輸入IN引腳通過470nF電容去耦,。測試電路中，總線終端匹配通過60Ω的R4電阻中間端接實現(xiàn),。R5/R6 = 120Ω,、C3/C4 = 4.7nF并聯(lián)的RC組合構成對稱的RF耦合/去耦,。外部3.3V、5V以及12V電源由標準電源提供,，由濾波網(wǎng)絡濾波,。

　　測試步驟

　　測試中MAX13041 CAN收發(fā)器置于常規(guī)工作模式，電荷泵采用固定頻率模式測試一次,，并采用跳頻模式再測試一次,。第一次測試中所有收發(fā)器均采用標準的VCC=5V電源供電。模板發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50%的方波,，模擬節(jié)點1 TXD引腳的250kb/s CAN信號(數(shù)據(jù)保持在固定的0-1-0交替信號),。RF輸入(HF1)上的HF發(fā)生器在CAN電纜上注入特定頻率、功率相當于36dBm的調(diào)幅(AM)交流電壓,，用于模擬干擾,。為評估干擾抑制能力，用示波器監(jiān)測網(wǎng)絡中所有三個收發(fā)器的RX信號,，比較它們在干擾信號下對TXD信號的影響,。有效模板所允許的最大電壓偏差為±0.9V，最大時間偏差為±0.2ms,，利用該模板驗證TXD信號波形,。

　　如果測試結果達到了失效水平(例如，收發(fā)器的RX信號超出有效模板窗口),，則將RF注入功率降低0.2dBm,，并重復同一測試(以特定的頻率等級)，直到失效判據(jù)無效為止;隨后記錄當前的功率值并調(diào)節(jié)至下一個頻率等級,，該測試的頻率范圍為10MHz至100MHz,。

      DPI測試結果

　　圖4所示為MAX13041 VCC采用標準5V電源供電的測試曲線(藍線)以及MAX13041分別采用固定頻率模式下的電荷泵供電(紅線)和跳頻模式下的電荷泵供電(綠線)情況下的測試結果。X軸代表頻率范圍,，Y軸代表沒有發(fā)生失效條件下的最大注入功率,。從綠線和紅線可以看出，兩者與藍線(MAX13041沒有采用電荷泵供電)幾乎一樣,，由此可見：電路的EMI性能主要由CAN收發(fā)器的EMI特性決定,，與電荷泵關系不大。因此,，采用MAX683電荷泵為MAX13041 CAN收發(fā)器供電不會顯著影響電路的EMI性能,。

 　　輻射測試

　　輻射測試在同一測試板進行，測試裝置和DPI測試基本相同,，唯一區(qū)別是采用頻譜分析儀替換功率注入設備(HF發(fā)生器),。同樣，測試工作在常規(guī)模式的CAN收發(fā)器,。分別測試電荷泵工作在跳頻模式和固定頻率模式的情況,。第一個測試,，采用標準的VCC = 5V電源為所有收發(fā)器供電。CAN TXD輸入端加載方波(模擬發(fā)送250kb/s的比特流),，并通過頻譜分析儀在100k~1GHz頻率范圍測量,、記錄CAN電纜的輻射。無需DSO (圖3),。

輻射測試結果



　　圖5所示為MAX13041 VCC采用標準5V電源供電的EME測試曲線(藍線)以及采用工作在固定頻率模式的MAX683電荷泵供電的EME測試曲線(綠線),。圖6比較了標準5V供電的MAX13041 (紫線)和采用工作在跳頻模式的MAX683電荷泵供電的MAX13041測試結果(紅線)。X軸代表頻率范圍,，Y軸代表干擾等級,。


      綠線和紅線(收發(fā)器由電荷泵供電)與采用標準5V電源供電的MAX13041測試結果(藍線和紫線)幾乎相同，由此可見：電路的輻射性能主要取決于CAN收發(fā)器的輻射兼容性,，與電荷泵關系不大,。測試結果表明，采用電荷泵為CAN收發(fā)器供電不會顯著影響系統(tǒng)的EMC性能,。

　　結論

　　CAN應用中滿足電磁兼容性指標非常困難,，特別是當收發(fā)器采用開關電源調(diào)節(jié)器(電荷泵)供電時,。然而本文說明：電路的EMC性能主要取決于CAN收發(fā)器的EMC,，與電荷泵關系不大。

　　對于需要低功耗,、低電壓工作和低成本的應用,，系統(tǒng)設計人員在無法得到5V電源時可以采用MAX683電荷泵為MAX13041供電，從測試結果看這是一個極佳選擇,。