3.3VCC供电下实现标准的HS-CAN通信
3.3vcc供电下实现标准的hs-can通信
摘要：在要求低功耗、低电压工作和低成本的应用中，电荷泵通常是最佳选择。该应用笔记介绍了采用max683—将3.3v输入转换成5v稳压输出的电荷泵，为max13041 hs-can收发器供电的工作情况。本文还讨论了电荷泵供电对电磁辐射和抗干扰能力的影响。
概述如果保证max13041的vcc电源处于4.75v至5.25v (标称工作电压范围)，则可满足iso 11898-2高速can通信标准1。也就是说，如果需要进行can通信，必须采用5v电源为can收发器供电。
然而，系统设计中常碰到的问题是主电源无法满足子系统的电源需求。这种情况下，无法直接使用现有电源：仅有一路3.3v电源或不能直接采用电池电压获得所有需要的电源。由于电路板空间有限，不能包含所有电源。有些情况下，直接从电池电源产生5v电压可能无法接受，因为存在散热问题，特别是在需要高电池电压进行can通信的系统中(如，汽车中两节电池供电的情况或在24v卡车系统中)。
电压转换器能够产生所需的各种电压，并且在要求低功耗、电路简单和低成本应用中，电荷泵通常是最佳选择。电荷泵便于使用，因为它们无需昂贵的电感或额外的半导体器件。
选择电荷泵 收发器电源max13041的vcc引脚用于ic供电，当ic处于正常工作模式时在总线、电压基准和接收电路之间建立正确的通信信号。
vi/o输入提供与3.3v i/o微控制器的接口，在控制器和收发器之间获得正确的电压。当然，当具体应用与这种控制器通信时，该引脚可以接5v稳压器。
vbat引脚(通常连接至汽车12v电池)为超低静态电流的唤醒检测电路供电。该引脚用于激活max13041，以便在收到can信息时从休眠模式下唤醒器件。如果检测到vbat电源上有欠压情况，则将收发器置于低功耗模式。
所有其它引脚的详细说明请参考max13041的数据资料2。
电源电流can总线处于下述两种逻辑状态的一种：隐性状态或显性状态(图1)。正常通信模式中，max13041在显性状态下需要80ma的最大vcc输入电流；隐性状态下需要10ma3。流入vi/o和vbat的电流可以忽略。
然而，当总线出现故障时，特别是如果can_h总线短接至地，则vcc电源电流会明显增大。收发器将会把短路电流限制到io(sc) = 95ma4。不管怎样，这种条件下最好调节电荷泵输出电流。
考虑到上述情况，采用电荷泵提供can收发器所需电源，该电荷泵可提供5v输出电压，电压容差满足上述要求，且最小输出电流可达95ma。
图1. can总线的逻辑状态
3.3v输入至5v稳压输出的电荷泵尽管市场上有多种常规的电荷泵器件可供选择，本应用笔记采用3.3v输入、5v稳压输出的电荷泵max683解决供电问题。该器件可在2.7v至5.5v输入电压下提供5v ±4%的稳压输出。器件开关频率调节范围高达2mhz，允许在100ma输出电流下使用小尺寸外部电容。
器件可工作在两种模式：跳频模式和固定频率模式。跳频模式下(低电平有效skip输入 = 低电平)，当检测到输出电压高于5v时禁止开关操作。器件随后进入跳频模式，直到输出电压跌落。由于器件工作在非连续模式，这种调节方法使工作电流最小。固定频率模式下(低电平有效skip输入 = 高电平)，电荷泵在所设定的频率下连续工作，这种调节方案的输出纹波最小。由于器件连续进行开关操作，输出噪声包含确定的频率成分，在指定的输出纹波下电路允许使用非常小的外部电容。但是，固定频率模式消耗较大的工作电流，轻载状态下效率低于跳频模式。
max13041和max683 3.3v电路实例从图2所示电路可以看出采用电荷泵给max13041供电非常简便，将max683连接至can收发器的vcc输入(虚线)，即可提供5v输出电压，容限和输出电流均可满足要求。该配置允许其余电路采用较低电压供电。本例中，选用3.3v外部电源为电荷泵(in)、微控制器以及收发器的vi/o电平转换器供电。电荷泵的低电平有效skip输入置高，器件置于固定频率模式。开关频率可由rext电阻设置。关于输入/输出电容(cin、cout)、飞电容(cx)以及频率设置电阻(rext)的详细说明，请参考max683的数据资料5。
图2. 采用max683电荷泵为max13041 can收发器供电的电路
电磁兼容性can应用中满足电磁兼容性(emc)要求是设计中所面临的挑战，特别是收发器采用开关电源调节器供电时。can系统的电缆是实际应用中需要关注的问题，因为can_h和can_l引脚连接至总线网络，总线网络涉及整个汽车的运转。如果不够谨慎，可能遇到干扰或产生干扰信号，通过can电源传递到收发器，进而注入整个总线，对相邻电缆产生干扰。这些干扰会造成通信错误或系统的其它控制单元出现故障。
考虑到上述因素，我们对采用max683电荷泵供电的max13041进行了emc测试，并与由标准5v电源供电的max13041的emc性能进行对比，观察电荷泵对emc干扰的影响。在此，我们将考虑两个方面：电磁干扰抑制(emi)和电磁辐射(eme)。
抗扰性测试iso 11452规范给出了几种针对rf干扰抑制能力测试的方法，包括：大电流注入(bci)、横向电磁波箱(tem-cell)、带状线以及直接射频功率注入(dpi)。
我们采用dpi进行测试，原因是该方法具有高重现性(由于采用定义完善的测试板)和相对低的测试成本。dpi测试原理是向总线电缆注入特定交流电压，该电压可以经过调制，也可以未经调制，然后检测收发器rxd引脚传输数据信号的完整性。这种方法还有助于比较不同供应商的设计；此外，它利用独立实验室(例如，ibee [ingenieur buereo fuer industrielle elektronik])测试can收发器。
测试装置测试装置(图3)包括三个同样的收发器，焊接到指定的pcb，其中一片采用max683电荷泵供电。节点1作为发送器，用于模拟在所有收发器的rx_输出端接收、监测到的can信息的位模板。rx1至rx3输出以及tx1输入端的rf去耦均采用1kω电阻。每片收发器ic的vcc和vbat电源端均采用陶瓷电容(c = 100nf)去耦。唤醒引脚的电阻值为33kω。通过把en引脚和低电平有效stb引脚置高，可将器件置于正常工作模式。节点1的vcc电压由max683电荷泵提供，max683由3.3v供电。3.3v电源还用于收发器节点1的vi/o电源。
通过跳线选择电阻r1或r2，可使电荷泵在跳频模式和固定频率模式(cfm)之间切换。电荷泵开关频率通过59kω的r3电阻设置为2mhz。电荷泵的输出电容c1为4.7µf、飞电容c2为220nf，并且输入in引脚通过470nf电容去耦。测试电路中，总线终端匹配通过60ω的r4电阻中间端接实现。r5/r6 = 120ω、c3/c4 = 4.7nf并联的rc组合构成对称的rf耦合/去耦。外部3.3v、5v以及12v电源由标准电源提供，由滤波网络滤波。
图3. dpi和辐射测试的测试装置
测试步骤测试中max13041 can收发器置于常规工作模式，电荷泵采用固定频率模式测试一次，并采用跳频模式再测试一次。第一次测试中所有收发器均采用标准的vcc = 5v电源供电。模板发生器产生占空比为50%的方波，模拟节点1 txd引脚的250kbps can信号(数据保持在固定的0-1-0交替信号)。rf输入(hf1)上的hf发生器在can电缆上注入特定频率、功率相当于36dbm的调幅(am)交流电压，用于模拟干扰。
为评估干扰抑制能力，用示波器监测网络中所有三个收发器的rx信号，比较它们在干扰信号下对txd信号的影响。有效模板所允许的最大电压偏差为±0.9v，最大时间偏差为±0.2µs，利用该模板验证txd信号波形。
如果测试结果达到了失效水平(例如，收发器的rx信号超出有效模板窗口)，则将rf注入功率降低0.2dbm，并重复同一测试(以特定的频率等级)，直到失效判据无效为止；随后记录当前的功率值并调节至下一个频率等级，该测试的频率范围为10mhz至100mhz。
dpi测试结果图4所示为max13041 vcc采用标准5v电源供电的测试曲线(蓝线)以及max13041分别采用固定频率模式下的电荷泵供电(红线)和跳频模式下的电荷泵供电(绿线)情况下的测试结果。x轴代表频率范围，y轴代表没有发生失效条件下的最大注入功率。从绿线和红线可以看出，两者与蓝线(max13041没有采用电荷泵供电)几乎一样，由此可见：电路的emi性能主要由can收发器的emi特性决定，与电荷泵关系不大。因此，采用max683电荷泵为max13041 can收发器供电不会显著影响电路的emi性能。
图4. dpi测试结果
辐射测试辐射测试在同一测试板进行，测试装置和dpi测试基本相同，唯一区别是采用频谱分析仪替换功率注入设备(hf发生器)。同样，测试工作在常规模式的can收发器。分别测试电荷泵工作在跳频模式和固定频率模式的情况。第一个测试，采用标准的vcc = 5v电源为所有收发器供电。can txd输入端加载方波(模拟发送250kbps的比特流)，并通过频谱分析仪在100khz至1ghz频率范围测量、记录can电缆的辐射。无需dso (图3)。
辐射测试结果图5所示为max13041 vcc采用标准5v电源供电的eme测试曲线(蓝线)以及采用工作在固定频率模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(绿线)。图6比较了标准5v供电的max13041 (紫线)和采用工作在跳频模式的max683电荷泵供电的max13041测试结果(红线)。x轴代表频率范围，y轴代表干扰等级。
绿线和红线(收发器由电荷泵供电)与采用标准5v电源供电的max13041测试结果(蓝线和紫线)几乎相同，由此可见：电路的辐射性能主要取决于can收发器的辐射兼容性，与电荷泵关系不大。测试结果表明，采用电荷泵为can收发器供电不会显著影响系统的emc性能。
图5. max13041由标准5v电源供电的eme测试曲线(蓝线)和由工作在固定频率模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(绿线)
图6. max13041由标准5v电源供电的eme测试曲线(紫线)和由工作在跳频模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(红线)
结论can应用中满足电磁兼容性指标非常困难，特别是当收发器采用开关电源调节器(电荷泵)供电时。然而本应用笔记说明：电路的emc性能主要取决于can收发器的emc，与电荷泵关系不大。
对于需要低功耗、低电压工作和低成本的应用，系统设计人员在无法得到5v电源时可以采用max683电荷泵为max13041供电，从测试结果看这是一个极佳选择。
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概述如果保证max13041的vcc电源处于4.75v至5.25v (标称工作电压范围)，则可满足iso 11898-2高速can通信标准1。也就是说，如果需要进行can通信，必须采用5v电源为can收发器供电。
然而，系统设计中常碰到的问题是主电源无法满足子系统的电源需求。这种情况下，无法直接使用现有电源：仅有一路3.3v电源或不能直接采用电池电压获得所有需要的电源。由于电路板空间有限，不能包含所有电源。有些情况下，直接从电池电源产生5v电压可能无法接受，因为存在散热问题，特别是在需要高电池电压进行can通信的系统中(如，汽车中两节电池供电的情况或在24v卡车系统中)。
电压转换器能够产生所需的各种电压，并且在要求低功耗、电路简单和低成本应用中，电荷泵通常是最佳选择。电荷泵便于使用，因为它们无需昂贵的电感或额外的半导体器件。
选择电荷泵 收发器电源max13041的vcc引脚用于ic供电，当ic处于正常工作模式时在总线、电压基准和接收电路之间建立正确的通信信号。
vi/o输入提供与3.3v i/o微控制器的接口，在控制器和收发器之间获得正确的电压。当然，当具体应用与这种控制器通信时，该引脚可以接5v稳压器。
vbat引脚(通常连接至汽车12v电池)为超低静态电流的唤醒检测电路供电。该引脚用于激活max13041，以便在收到can信息时从休眠模式下唤醒器件。如果检测到vbat电源上有欠压情况，则将收发器置于低功耗模式。
所有其它引脚的详细说明请参考max13041的数据资料2。
电源电流can总线处于下述两种逻辑状态的一种：隐性状态或显性状态(图1)。正常通信模式中，max13041在显性状态下需要80ma的最大vcc输入电流；隐性状态下需要10ma3。流入vi/o和vbat的电流可以忽略。
然而，当总线出现故障时，特别是如果can_h总线短接至地，则vcc电源电流会明显增大。收发器将会把短路电流限制到io(sc) = 95ma4。不管怎样，这种条件下最好调节电荷泵输出电流。
考虑到上述情况，采用电荷泵提供can收发器所需电源，该电荷泵可提供5v输出电压，电压容差满足上述要求，且最小输出电流可达95ma。
图1. can总线的逻辑状态
3.3v输入至5v稳压输出的电荷泵尽管市场上有多种常规的电荷泵器件可供选择，本应用笔记采用3.3v输入、5v稳压输出的电荷泵max683解决供电问题。该器件可在2.7v至5.5v输入电压下提供5v ±4%的稳压输出。器件开关频率调节范围高达2mhz，允许在100ma输出电流下使用小尺寸外部电容。
器件可工作在两种模式：跳频模式和固定频率模式。跳频模式下(低电平有效skip输入 = 低电平)，当检测到输出电压高于5v时禁止开关操作。器件随后进入跳频模式，直到输出电压跌落。由于器件工作在非连续模式，这种调节方法使工作电流最小。固定频率模式下(低电平有效skip输入 = 高电平)，电荷泵在所设定的频率下连续工作，这种调节方案的输出纹波最小。由于器件连续进行开关操作，输出噪声包含确定的频率成分，在指定的输出纹波下电路允许使用非常小的外部电容。但是，固定频率模式消耗较大的工作电流，轻载状态下效率低于跳频模式。
max13041和max683 3.3v电路实例从图2所示电路可以看出采用电荷泵给max13041供电非常简便，将max683连接至can收发器的vcc输入(虚线)，即可提供5v输出电压，容限和输出电流均可满足要求。该配置允许其余电路采用较低电压供电。本例中，选用3.3v外部电源为电荷泵(in)、微控制器以及收发器的vi/o电平转换器供电。电荷泵的低电平有效skip输入置高，器件置于固定频率模式。开关频率可由rext电阻设置。关于输入/输出电容(cin、cout)、飞电容(cx)以及频率设置电阻(rext)的详细说明，请参考max683的数据资料5。
图2. 采用max683电荷泵为max13041 can收发器供电的电路
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考虑到上述因素，我们对采用max683电荷泵供电的max13041进行了emc测试，并与由标准5v电源供电的max13041的emc性能进行对比，观察电荷泵对emc干扰的影响。在此，我们将考虑两个方面：电磁干扰抑制(emi)和电磁辐射(eme)。
抗扰性测试iso 11452规范给出了几种针对rf干扰抑制能力测试的方法，包括：大电流注入(bci)、横向电磁波箱(tem-cell)、带状线以及直接射频功率注入(dpi)。
我们采用dpi进行测试，原因是该方法具有高重现性(由于采用定义完善的测试板)和相对低的测试成本。dpi测试原理是向总线电缆注入特定交流电压，该电压可以经过调制，也可以未经调制，然后检测收发器rxd引脚传输数据信号的完整性。这种方法还有助于比较不同供应商的设计；此外，它利用独立实验室(例如，ibee [ingenieur buereo fuer industrielle elektronik])测试can收发器。
测试装置测试装置(图3)包括三个同样的收发器，焊接到指定的pcb，其中一片采用max683电荷泵供电。节点1作为发送器，用于模拟在所有收发器的rx_输出端接收、监测到的can信息的位模板。rx1至rx3输出以及tx1输入端的rf去耦均采用1kω电阻。每片收发器ic的vcc和vbat电源端均采用陶瓷电容(c = 100nf)去耦。唤醒引脚的电阻值为33kω。通过把en引脚和低电平有效stb引脚置高，可将器件置于正常工作模式。节点1的vcc电压由max683电荷泵提供，max683由3.3v供电。3.3v电源还用于收发器节点1的vi/o电源。
通过跳线选择电阻r1或r2，可使电荷泵在跳频模式和固定频率模式(cfm)之间切换。电荷泵开关频率通过59kω的r3电阻设置为2mhz。电荷泵的输出电容c1为4.7µf、飞电容c2为220nf，并且输入in引脚通过470nf电容去耦。测试电路中，总线终端匹配通过60ω的r4电阻中间端接实现。r5/r6 = 120ω、c3/c4 = 4.7nf并联的rc组合构成对称的rf耦合/去耦。外部3.3v、5v以及12v电源由标准电源提供，由滤波网络滤波。
图3. dpi和辐射测试的测试装置
测试步骤测试中max13041 can收发器置于常规工作模式，电荷泵采用固定频率模式测试一次，并采用跳频模式再测试一次。第一次测试中所有收发器均采用标准的vcc = 5v电源供电。模板发生器产生占空比为50%的方波，模拟节点1 txd引脚的250kbps can信号(数据保持在固定的0-1-0交替信号)。rf输入(hf1)上的hf发生器在can电缆上注入特定频率、功率相当于36dbm的调幅(am)交流电压，用于模拟干扰。
为评估干扰抑制能力，用示波器监测网络中所有三个收发器的rx信号，比较它们在干扰信号下对txd信号的影响。有效模板所允许的最大电压偏差为±0.9v，最大时间偏差为±0.2µs，利用该模板验证txd信号波形。
如果测试结果达到了失效水平(例如，收发器的rx信号超出有效模板窗口)，则将rf注入功率降低0.2dbm，并重复同一测试(以特定的频率等级)，直到失效判据无效为止；随后记录当前的功率值并调节至下一个频率等级，该测试的频率范围为10mhz至100mhz。
dpi测试结果图4所示为max13041 vcc采用标准5v电源供电的测试曲线(蓝线)以及max13041分别采用固定频率模式下的电荷泵供电(红线)和跳频模式下的电荷泵供电(绿线)情况下的测试结果。x轴代表频率范围，y轴代表没有发生失效条件下的最大注入功率。从绿线和红线可以看出，两者与蓝线(max13041没有采用电荷泵供电)几乎一样，由此可见：电路的emi性能主要由can收发器的emi特性决定，与电荷泵关系不大。因此，采用max683电荷泵为max13041 can收发器供电不会显著影响电路的emi性能。
图4. dpi测试结果
辐射测试辐射测试在同一测试板进行，测试装置和dpi测试基本相同，唯一区别是采用频谱分析仪替换功率注入设备(hf发生器)。同样，测试工作在常规模式的can收发器。分别测试电荷泵工作在跳频模式和固定频率模式的情况。第一个测试，采用标准的vcc = 5v电源为所有收发器供电。can txd输入端加载方波(模拟发送250kbps的比特流)，并通过频谱分析仪在100khz至1ghz频率范围测量、记录can电缆的辐射。无需dso (图3)。
辐射测试结果图5所示为max13041 vcc采用标准5v电源供电的eme测试曲线(蓝线)以及采用工作在固定频率模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(绿线)。图6比较了标准5v供电的max13041 (紫线)和采用工作在跳频模式的max683电荷泵供电的max13041测试结果(红线)。x轴代表频率范围，y轴代表干扰等级。
绿线和红线(收发器由电荷泵供电)与采用标准5v电源供电的max13041测试结果(蓝线和紫线)几乎相同，由此可见：电路的辐射性能主要取决于can收发器的辐射兼容性，与电荷泵关系不大。测试结果表明，采用电荷泵为can收发器供电不会显著影响系统的emc性能。
图5. max13041由标准5v电源供电的eme测试曲线(蓝线)和由工作在固定频率模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(绿线)
图6. max13041由标准5v电源供电的eme测试曲线(紫线)和由工作在跳频模式的max683电荷泵供电的eme测试曲线(红线)
结论can应用中满足电磁兼容性指标非常困难，特别是当收发器采用开关电源调节器(电荷泵)供电时。然而本应用笔记说明：电路的emc性能主要取决于can收发器的emc，与电荷泵关系不大。
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