克服CAN設計挑戰(zhàn)：應對CAN電壓和功率挑戰(zhàn)

本文討論了一些CAN設計挑戰(zhàn)，重點是功耗以及在CAN應用中使用多個電壓軌進行設計。

在“克服CAN設計挑戰(zhàn)”的第一期中，我討論了設計和端接控制器局域網（CAN）總線的復雜性和挑戰(zhàn)。在第二部分中，我將重點介紹功耗和在CAN應用程序中使用多個電壓軌進行設計。

計算CAN收發(fā)器中的功耗并不像看起來那樣簡單，而在收發(fā)器周圍添加多個電壓軌只會增加這種復雜性。此外，對于所有不同類型的CAN收發(fā)器，您可能會發(fā)現自己選擇了錯誤的收發(fā)器，或者在系統(tǒng)中添加了不必要的電壓軌。

問題1：如何計算處于活動狀態(tài)的CAN收發(fā)器的功耗？

CAN收發(fā)器的功耗涉及多個方面。圖1以藍色顯示了設備處于隱性狀態(tài)時為設備供電所需的靜態(tài)電流部分，以紅色顯示了驅動CAN總線的主導電平所需的部分靜態(tài)電流。

圖1.CAN收發(fā)器的電流流，顯示為設備供電所需的靜態(tài)電流。

正確評估CAN收發(fā)器的功耗要求您知道/假定/測量收發(fā)器處于每種總線狀態(tài)的時間以及以下參數：

總線處于隱性狀態(tài)時，收發(fā)器的電流消耗。

總線處于顯性狀態(tài)時，收發(fā)器的電流消耗。

總線處于顯性和隱性狀態(tài)的總時間百分比。

優(yōu)勢狀態(tài)下的差分輸出電壓。

VCC電源電壓。

VIO電源電壓（如果存在VIO引腳）。

輸入/輸出（I / O）電源電流（如果存在VIO引腳）。

在此計算中，收發(fā)器在兩種狀態(tài)下的電流消耗以及總線在兩種狀態(tài)下的時間量都是不言自明的。由于兩種狀態(tài)下的電流消耗都大不相同，并且在通信過程中CAN總線狀態(tài)一直在變化，因此總線處于隱性或顯性狀態(tài)的時間量將嚴重影響收發(fā)器的功耗。

在主導狀態(tài)下的差分輸出電壓是必需的，因為從VCC電源消耗的某些功率將通過終端電阻。了解該電阻的壓降將幫助您確定通過該電阻消耗了多少電流。

隱性狀態(tài)下的差分輸出電壓不是必需的，因為當總線處于隱性狀態(tài)時，電阻兩端不應有明顯的壓降（或根本沒有壓降）。如果不是完全相同的電壓，則CANH和CANL的誤差應在數十毫伏以內。沒有電流通過電阻，并且收發(fā)器沒有向總線傳送大量功率。

公式1表示所有這些變量后的功耗公式：

P = [（1-D）* IREC * VCC] + [D * IDOM *（VCC-VOD）]公式2表示具有VIO引腳的收發(fā)器的公式：

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

其中P是功率，D是總線處于主導狀態(tài)的時間百分比，VCC是收發(fā)器的電源，IREC是處于隱性狀態(tài)的VCC的電流消耗，IDOM是處于主導狀態(tài)的VCC的電流消耗， VOD是處于主導狀態(tài)的總線輸出差分電壓，VIO是設備的IO電壓（如果有VIO引腳），而IIO是設備的I / O電流。

讓我們以TCAN1042CAN靈活數據速率（CAN-FD）收發(fā)器為例，并假設設備50％的時間處于顯性狀態(tài)，而50％的時間處于隱性狀態(tài)。VCC = 5 V，IREC = 1.5 mA，IDOM = 40 mA，VOD = 2.25 V和D = 0.5，將這些值代入公式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

如您所見，計算功率并不總是一個直觀的過程，但是可以通過使用正確的參數來簡化計算。

問題2：5V和3.3V CAN收發(fā)器可以一起在同一總線上運行嗎？

簡短的回答是，他們可以。所有3.3V CAN收發(fā)器均設計為具有隱性電平以及顯性和隱性閾值，以便它們可以正確地從5V或3.3V CAN收發(fā)器發(fā)送和接收消息。在3.3V CAN收發(fā)器設備系列中，有兩個隱性電平：1.85 V和2.3V。

像SN65HVD230這樣的3.3V汽車CAN總線收發(fā)器具有2.3V隱性電平，旨在與5V CAN收發(fā)器一起最佳工作。其他產品，如帶有CAN-FD的3.3V CAN收發(fā)器，如TCAN330，也可以與5V CAN收發(fā)器一起很好地工作，但是它們的隱性電平為1.85V，以最大程度地減少單個設備的電磁干擾。諸如樓宇和安全自動化以及氣候控制系統(tǒng)之類的工業(yè)應用將使用3.3V收發(fā)器，這是因為它們相對于5V CAN可以節(jié)省電能，并且在這些類型的系統(tǒng)中僅提供3.3V電壓。

問題3：如果您的MCU使用3.3V作為邏輯電源，您是否需要3.3V CAN收發(fā)器？

除非使用3.3V CAN總線，否則不需要3.3V CAN收發(fā)器。3.3V CAN收發(fā)器與能夠接受3.3V邏輯電平的CAN收發(fā)器之間存在差異。3.3V CAN收發(fā)器使用3.3V VCC電源電壓，通常用于工業(yè)應用中。CAN總線的參考電壓為3.3V，因此隱性和主導電壓與更典型的5V CAN收發(fā)器相比有所不同。

微控制器僅連接到CAN收發(fā)器的邏輯引腳，例如TXD，RXD和STB。它們不與實際的CAN總線接口。因此，如果您的MCU使用3.3V邏輯電源，則可以使用將其邏輯引腳引用到3.3V電源的CAN收發(fā)器，同時仍在5V CAN總線（例如TCAN1042V或TCAN1051V）上工作。引腳5是VIO引腳，向這些收發(fā)器上的此引腳施加3.3V電壓將使RXD，TXD和STB / S引腳使用3.3V邏輯電平。圖2顯示了此配置。

圖2.帶有3.3V MCU和5V CAN收發(fā)器的CAN節(jié)點

結論

盡管在5V領域之外思考CAN似乎有些令人困惑，但是一旦您了解了不同收發(fā)器的功能，選擇合適的收發(fā)器并計算由該收發(fā)器引起的功耗就會更加容易。