工业物联网时代,作为一种普遍应用在汽车电子、工业控制与医疗器械等领域中的串行总线通信技术——CAN(Controller Area Network)总线基于消息广播模式,通过双绞线传输差分信号,是一种多主控(Multi-Master)的总线系统,具备极强的抗干扰能力、极低的传输延迟和高速数据传输性能。
一种典型的CAN总线网络示意图
在CAN总线通信过程中,CAN收发器作为物理层上的接口芯片,位于CAN控制器(MCU)和CAN总线之间,主要负责将来自CAN控制器(MCU)的数字信号与总线上的差分信号进行相互转换,是信息传输的重要“桥梁”。
通常,为应对地电位差导致地环路干扰、瞬态干扰可能击穿芯片与单点故障可能扩散至整个网络等典型问题,CAN收发器会集成电气隔离措施,以提升CAN总线在复杂环境中的信号传输可靠性和设备安全性。
隔离式CAN收发器是在传统CAN收发器基础上集成了电气隔离功能的接口芯片,是CAN总线通信中连接CAN控制器(MCU)与总线的关键物理层器件。其核心特点是通过隔离技术阻断MCU侧与总线侧的直接电气连接,确保通信可靠性,从而提高系统的稳定性和安全性。
在汽车电子领域中,几乎所有的电子控制单元(ECU)都通过CAN收发器连接到CAN总线上,从而实现各电子控制单元(ECU)之间的协同交互。
其中,隔离式CAN收发器主要应用于高压ECU与低压控制单元之间的跨域通信。
CAN总线在汽车控制系统中的应用
例如,在电池管理ECU与VCU(整车控制器)的通信中,隔离式CAN收发器可阻断高压域(400/800V高压电池)与低压域之间的地电位差通过CAN总线形成地环路电流,以及抵抗电池充放电时所产生的高频瞬态干扰,保障电池管理ECU与VCU的通信稳定。
在电机控制ECU与VCU(整车控制器)的通信中,隔离式CAN收发器同样可阻断高压域(400/800V母线电压)与低压域之间的地电位差通过CAN总线形成地环路电流,以及抵抗电机逆变器高频开关动作所产生的高频电磁噪声,从而实现电机控制ECU与VCU的可靠通信。
在高压域与低压域的跨域通信场景中,隔离式CAN收发器不仅需要具备基础的信号转换能力,更需应对地电位差、高频干扰、故障扩散等复杂挑战,这对器件的隔离性能、防护机制和环境适应性提出了更高要求——一款能够同时满足高共模抑制、宽电压适配、多重故障保护的隔离式CAN收发器,已成为保障系统稳定运行的关键。
例如,CMT10XXX就是一系列高可靠性的隔离式CAN收发器,其内部集成了基于电容隔离技术的双通道数字隔离器和一个标准的CAN收发器,有助于简化系统设计,提高系统可靠性。
CMT10XXX具有150kV/μs以上的共模瞬态抑制力。在逻辑侧可以接受2.5V至5.5V的供电电压范围(VCC1),方便连接工作在不同电压的CAN控制器,无需额外的电平转换器。总线侧则采用独立的4.5V至5.5V隔离电源供电 (VCC2)。
CMT10XXX接收器输入端允许±30V共模输入,远远超出ISO 11898规范定义的-2V至+7V范围;总线引脚CANH、CANL可承受高达±58V的故障电压,为系统提供有效的过压保护。
CMT10XXX支持总线显性超时功能,在待机模式下,当CAN总线从隐性状态变为显性状态时,启动“总线优势超时”定时器。
即如果总线上的主导状态持续的时间比总线(tto(dom)bus)长,则 RXD引脚将维持为显性状态。
CMT10XXX支持发送器超时功能,如果引脚TXD由于硬件或者软件应用程序故障,被强制持续显示低电平(LOW)。
TXD显性超时器可以防止总线钳制在显性状态(阻塞所有网络通信)。
CMT10XXX发送器提供输出短路保护,一旦发生输出短路到电源或短路到地的故障时,驱动器将限制输出电流。
当然,由于此时处于最大限流状态,有可能消耗较大的电源电流,而热关断功能为输出短路提供了二次防护。
一旦短路故障解除,发送器将退出限流保护而进入有效工作状态。
CMT10XXX发送器还提供热关断保护,当器件的结温超出热关断门限Tts(shutdown) (190°C, 典型值)时,将关闭驱动器,阻断驱动器输出TXD与总线的连接。热关断期间,CAN总线偏置在隐性电平,接收器则保持有效工作状态。
一旦结温降低到正常工作范围,器件自动退出热关断,恢复正常工作。