CAN设计中如何应对电压和功率挑战?

本文讨论了一些CAN设计挑战，重点是功耗和在CAN应用中使用多个电压轨进行设计。

在“克服CAN设计挑战”的第一期中，我讨论了设计和端接控制器局域网（CAN）总线的复杂性和挑战。在第二部分中，我将重点介绍功耗和在CAN应用中使用多个电压轨进行设计。

计算CAN收发器中的功耗并不像看起来那样简单，而在收发器周围添加多个电压轨只会增加这种复杂性。此外，对于所有不同类型的CAN收发器，您可能会发现自己选择了错误的收发器，或者在系统中添加了不必要的电压轨。

问题1：如何计算处于活动状态的CAN收发器的功耗？

CAN收发器的功耗涉及多个方面。图1以蓝色显示了设备处于隐性状态时为设备供电所需的静态电流部分，以红色显示了驱动CAN总线的主导电平所需的部分静态电流。

图1.CAN收发器的电流流，显示为设备供电所需的静态电流。

正确评估CAN收发器的功耗要求您知道/假定/测量收发器处于每种总线状态的时间以及以下参数：

总线处于隐性状态时，收发器的电流消耗。

总线处于显性状态时，收发器的电流消耗。

总线处于显性和隐性状态的总时间百分比。

优势状态下的差分输出电压。

VCC电源电压。

VIO电源电压（如果存在VIO引脚）。

输入/输出（I / O）电源电流（如果存在VIO引脚）。

在此计算中，收发器在两种状态下的电流消耗以及总线在两种状态下的时间量都是不言自明的。由于两种状态下的电流消耗都大不相同，并且在通信过程中CAN总线状态一直在变化，因此总线处于隐性或显性状态的时间量将严重影响收发器的功耗。

在显性状态下的差分输出电压是必要的，因为从VCC电源消耗的某些功率将通过终端电阻。了解该电阻的压降将帮助您确定通过该电阻消耗了多少电流。

隐性状态下的差分输出电压不是必需的，因为当总线处于隐性状态时，电阻两端不应有明显的压降（或根本没有压降）。CANH和CANL如果彼此之间的精确电压不同，则应在数十毫伏的范围内。没有电流通过电阻，并且收发器没有向总线传送大量功率。

公式1表示所有这些变量后的功耗公式：

P = [（1-D）* IREC * VCC] + [D * IDOM *（VCC-VOD）]

公式2表示具有VIO引脚的收发器的公式：

P = [（1-D）* IREC * VCC] + [D * IDOM *（VCC-VOD）] + VIO * IIO

其中P是功率，D是总线处于显性状态的时间百分比，VCC是收发器的电源，IREC是处于隐性状态的VCC的电流消耗，IDOM是处于显性状态的VCC的电流消耗， VOD是处于显性状态的总线输出差分电压，VIO是设备的IO电压（如果有VIO引脚），而IIO是设备的I / O电流。

让我们以TCAN1042CAN灵活数据速率（CAN-FD）收发器为例，并假设该设备50％的时间处于显性状态，而50％的时间处于隐性状态。VCC = 5 V，IREC = 1.5 mA，IDOM = 40 mA，VOD = 2.25 V和D = 0.5，将这些值代入公式1可得出：

P = [（1-0.5）* 1.5 * 5] + [（0.5）* 40 *（5-2.25）] = 3.75 mW + 55 mW = 58.75 mW

如您所见，计算功率并不总是一个直观的过程，但是可以通过使用正确的参数来简化计算。

问题2：5V和3.3V CAN收发器可以一起在同一总线上运行吗？

简短的回答是，他们可以。所有3.3V CAN收发器均设计为具有隐性电平以及显性和隐性阈值，以便它们可以正确地从5V或3.3V CAN收发器发送和接收消息。在3.3V CAN收发器设备系列中，有两个隐性电平：1.85 V和2.3V。

像SN65HVD230这样的3.3V汽车CAN总线收发器具有2.3V隐性电平，旨在与5V CAN收发器一起最佳工作。其他产品，如带有CAN-FD的3.3V CAN收发器，如TCAN330，也可以与5V CAN收发器一起很好地工作，但是它们的隐性电平为1.85V，以最大程度地减少单个设备的电磁干扰。诸如楼宇和安全自动化以及气候控制系统之类的工业应用将使用3.3V收发器，这是因为它们相对于5V CAN可以节省电能，并且在这些类型的系统中仅提供3.3V电压。

问题3：如果您的MCU使用3.3V作为逻辑电源，您是否需要3.3V CAN收发器？

除非您使用3.3V CAN总线，否则不需要3.3V CAN收发器。3.3V CAN收发器与能够接受3.3V逻辑电平的CAN收发器之间存在差异。3.3V CAN收发器使用3.3V VCC电源电压，通常用于工业应用中。CAN总线的参考电压为3.3V，因此隐性和主导电压与更典型的5V CAN收发器相比有所不同。

微控制器仅连接到CAN收发器的逻辑引脚，例如TXD，RXD和STB。它们不与实际的CAN总线接口。因此，如果您的MCU使用3.3V逻辑电源，则可以使用将其逻辑引脚引用到3.3V电源的CAN收发器，同时仍在5V CAN总线（例如TCAN1042V或TCAN1051V）上工作。引脚5是VIO引脚，向这些收发器上的此引脚施加3.3V电压将使RXD，TXD和STB / S引脚使用3.3V逻辑电平。图2显示了此配置。

图2.具有3.3V MCU和5V CAN收发器的CAN节点

结论

尽管在5V领域之外思考CAN似乎有些令人困惑，但是一旦您了解了不同收发器的功能，选择合适的收发器并计算由该收发器引起的功耗就会更加容易。

原文标题：克服CAN设计挑战（1）：应对CAN电压和功率挑战

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责任编辑：haq