アプリケーション ソリューション CAN バス通信回路設計 — VOOHU

CAN通信 – コントローラーエリアネットワーク

コントローラー エリア ネットワーク (CAN) は、1980 年代にボッシュによって提案されました。 CAN バスは、マルチマスター競合ベースの通信、非破壊ビット単位アービトレーション、および差動信号伝送を採用しており、高い信頼性、リアルタイム性能、強力な耐干渉能力を提供します。このため、自動車エレクトロニクス、産業オートメーション、その他の分野で広く使用されています。

自動車分野では、CAN バスはエンジン コントロール ユニット (ECU)、T-BOX、ボディ コントローラーなどを接続し、ワイヤリング ハーネスを簡素化し、車両のインテリジェンスを強化します。最新のロボティクス システムでは、CAN バスは共同駆動、センサー フュージョン、リアルタイム制御コマンド配信に使用されており、特に協働ロボット、モバイル シャーシ、ヒューマノイド ロボット、およびマルチノードの信頼性の高い通信を必要とするその他のシナリオに適しています。

1.CANトランシーバー

CAN トランシーバーは、MCU と CAN バスを接続するインターフェイス チップです。

1.1 主な機能は次のとおりです。

• レベルシフト: コントローラーからのシングルエンドロジック信号 (TX、RX) を差動バス信号 (CAN_H、CAN_L) に変換します。

• バスの運転： 差動ドライバはオープンドレイン出力構造を使用し、外部終端抵抗と連携して「ワイヤード AND」ロジックを実装します。

• フレーム処理支援: トランシーバーには、アービトレーション ロジック、エラー検出、ビット タイミング同期、その他の回路が統合されています。

1.2 CAN 通信における役割:

• コントローラーとバス間の物理インターフェイスを実装します。

• バス障害保護 (短絡、過熱、過電流) を提供します。

• ノイズ耐性の強化: 差動信号がコモンモード干渉を抑制します。
  
  

2. デジタルアイソレータ

2.1 デバイスの原理

デジタル アイソレータは、CAN トランシーバとコントローラ間のロジック信号 (TX、RX) を絶縁し、グランド ループとコモンモード ノイズを遮断するために使用されます。容量性絶縁技術が一般的に使用され、コンデンサを介して絶縁バリアを越えて高速信号を変調し、低消費電力、小型サイズ、そして大幅なコスト上の利点を提供します。

2.2 CAN通信における役割

• コントローラとバス回路の間のグランド電位差をなくし、スイッチングノイズの注入を回避します。

• システムの信頼性の向上: 絶縁側の障害がコントローラー MCU を保護します。

• 長距離通信をサポート: トランシーバーの許容範囲を超えるコモンモード電圧を抑制します。

現在、主流の市場では、CAN トランシーバとデジタル アイソレータが 1 つのデバイスに統合されていることが多く、BOM コストが削減され、PCB 設計効率が向上します。

3. TVS

3.1 CAN通信における役割

• 静電気放電 (ESD) と電気的高速過渡現象 (EFT) を抑制します。

• 自動車のロードダンプや雷誘導によるサージエネルギーを吸収します。

• トランシーバーのバスピンを過電圧による損傷から保護します。

レイアウトのガイドライン:
を配置します。テレビバスコネクタまたはトランシーバーピンのできるだけ近くに、短くて幅の広い配線を使用します。 CAN_H と CAN_L の間の TVS の並列接続が優先され、次に各ラインがグランドに接続されます。

4. コモンモードチョーク (CMC)

4.1 デバイスの原理

コモンモードチョークは、同じコアに同じ巻数で逆の巻き方向で巻かれた 2 つのコイルで構成されます。差動モード信号に対しては非常に低いインピーダンスを示し、コモンモード信号に対しては高いインピーダンスを示すため、コモンモード電流は効果的に減衰します。

4.2 キー選択パラメータ

CAN バス アプリケーションの場合、コモンモード チョークの主要なパラメータと選択基準は次のとおりです。

• コモンモードインダクタンス (Lcm): 標準範囲は 51μH ～ 100μH @ 100kHz。インダクタンスが高くなると、低周波コモンモード干渉の抑制に役立ちますが、デバイスのサイズが増大し、差動信号に悪影響を与える可能性があります。

• 差動モードインピーダンス: CAN 信号エッジの歪みを避けるために、できる限り低くする必要があります (<10Ω)。

• 直流抵抗 (DCR): 1Ω未満である必要があります。 DCR が過剰になると、バス上のコモンモード電圧振幅が減少し、接続可能なノードの数が減少します。

• 定格電流: >200mA、バス上の最大過渡電流または連続電流より大きくなければなりません。

• 絶縁耐圧：システム絶縁要件を満たすには ≥1000Vrms。

4.3 CAN通信における役割

• 外部環境 (モーター、スイッチング電源など) からのコモンモード放射干渉を抑制し、EMC 性能を向上させます。

• アンテナとして機能するバス ケーブルから放射されるコモンモード ノイズを低減し、電磁干渉 (EMI) テストに合格するのに役立ちます。

• 終端抵抗および TVS と連携して、完全なバス耐性ネットワークを構築します。

4.4 CAN通信用の推奨コモンモードチョーク

VOOHU信号線コモンモードチョークCAN バス用に最適化されており、低い DCR、低い差動モード インピーダンス、および高いコモンモード除去の要件を満たしています。

• 2012シリーズ (例: WHLC‑2012A‑900T0): 90Ω @ 100MHz、0.35Ω、300mA – コンパクトな CAN ノードに適しています。

• 3225シリーズ (例: WHAC‑3225B‑110U0): 550Ω @ 100MHz、0.8Ω、300mA – 一般産業用/車載用CANノード。

• 4532シリーズ (例: WHAC‑4532A‑220U0): 1200Ω @ 100MHz、1.4Ω、200mA – モーターやインバーターの近くの高干渉環境向け。

5. 終端抵抗

CAN バスは、伝送媒体としてツイストペア ケーブルを使用し、特性インピーダンスは通常 120Ω です。信号がバスの終端に到達すると、インピーダンスの不一致により反射が発生し、信号のリンギングやオーバーシュートが発生し、ビット エラーが発生します。

終端抵抗は、ケーブルの特性インピーダンスに等しい値で CAN_H と CAN_L の間に接続されます。反射エネルギーを吸収し、定在波を抑制します。これは主に、反射を除去し、DC 負荷パスを提供し、信号の整合性を確保するために使用されます。

6. 完全な回路設計

上記のモジュールを組み合わせると、一般的な高信頼性絶縁型 CAN 通信回路は次のように設計されます。

レイアウトの原則:

• アイソレータとトランシーバをできるだけ近くに配置して、二次側のデジタル信号配線を短くします。

• トランシーバのバス ピンから差動コネクタまでの配線は、対称で同じ長さで、インピーダンスは約 120Ω にしてください。

• 一次側 (コントローラ側): システム 3.3V または 5V が MCU、アイソレータ一次、およびその他の低電圧ロジックに直接供給されます。

• 2 次側 (バス側): プッシュプル絶縁電源を使用して、トランシーバー VCC およびアイソレーター 2 次専用の 5V_ISO を生成します。

• グランドプレーン: プライマリ GND とセカンダリ GND_ISO は完全に分離されています。 1MΩ 抵抗と 10nF 高電圧コンデンサを並列に介してシャーシ グランド (または保護アース PE) に接続すると、静電気が放電され、高周波ノイズ パスが形成され、浮遊電位の蓄積が防止されます。

よくある質問

Q1: CAN バスに終端抵抗が必要なのはなぜですか?値を選択するにはどうすればよいですか?
A1: 終端抵抗はケーブルの特性インピーダンスと一致させ、信号の反射を吸収し、リンギングやオーバーシュートを防ぎます。標準の CAN バスは、特性インピーダンス 120Ω のツイストペア ケーブルを使用するため、終端抵抗は 120Ω で CAN_H と CAN_L の間に接続する必要があります。通常、バスの両端に 1 つの 120Ω 抵抗が配置されます。

Q2: コモンモードチョークはCANバスでどのような役割を果たしますか?選択時に考慮すべきパラメータは何ですか?
A2: コモンモード チョークは、外部コモンモード干渉 (モーター、スイッチング電源など) とバス ケーブルからのコモンモード放射を抑制し、EMC テストに合格するのに役立ちます。主な選択パラメータ: コモンモードインダクタンス (51μH~100μH @ 100kHz)、ディファレンシャルモードインピーダンス (<10Ω)、DC 抵抗 (<1Ω)、定格電流 (>200mA)、絶縁耐電圧 (≥1000Vrms)。 VOOHU は、これらの要件を満たす 2012/3225/4532 シリーズ信号線コモンモード チョークを提供しています。

Q3: CAN バス保護回路はどのように設計すればよいですか? TVS ダイオードはどこに配置する必要がありますか?
A3: 保護回路は、ESD、EFT、ロードダンプ サージを抑制する必要があります。 TVS ダイオードは、まず CAN_H と CAN_L の間に配置し、次に各ラインとグランドの間に配置する必要があります。レイアウト: TVS をバス コネクタまたはトランシーバー ピンのできるだけ近くに配置し、配線を短く幅広にします。

Q4: 絶縁型 CAN 回路にデジタル アイソレータが必要なのはなぜですか?絶縁電源はどのように設計すればよいのでしょうか？
A4: デジタル アイソレータは、コントローラとバス間のグランド ループとコモンモード ノイズを遮断し、絶縁側の障害によるコントローラ MCU の損傷を防ぎます。絶縁電源の場合、プッシュプル絶縁トランスを使用して、トランシーバ VCC およびアイソレータ 2 次側専用の 5V_ISO を生成できます。 VOOHU は、WHST06D02A0 などのプッシュプルトランスを提供しており、アイソレータと合わせて完全な絶縁ソリューションを形成します。

Q5: CAN トランシーバー、アイソレーター、コモンモードチョークの同時選択を実行するにはどうすればよいですか?
A5: まず、データ レートとノード数に基づいて CAN トランシーバー (SIT1042、1051 など) を選択します。絶縁が必要な場合は、統合された絶縁トランシーバまたは個別の「アイソレータ + トランシーバ」ソリューションを選択してください。コモンモードチョーク (VOOHU 3225 または 4532 シリーズ) をバスコネクタの近くに配置してコモンモード干渉をフィルタし、サージ保護のために TVS を並列に配置します。また、120Ωの終端抵抗も用意してください。 VOOHU は、コモンモード チョーク、TVS、プッシュプル変圧器、コネクタを含む完全な CAN インターフェイス デバイス パッケージをリファレンス回路設計のサポートとともに提供できます。

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