克服CAN設計挑戰：應對CAN電壓和功率挑戰

本文討論了一些CAN設計挑戰，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”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。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收發器中的功耗并不像看起來那樣簡單，而在收發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收發器，您可能會發現自己選擇了錯誤的收發器，或者在系統中添加了不必要的電壓軌。

問題1：如何計算處于活動狀態的CAN收發器的功耗？

CAN收發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時為設備供電所需的靜態電流部分，以紅色顯示了驅動CAN總線的主導電平所需的部分靜態電流。

圖1.CAN收發器的電流流，顯示為設備供電所需的靜態電流。

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

總線處于隱性狀態時，收發器的電流消耗。

總線處于顯性狀態時，收發器的電流消耗。

總線處于顯性和隱性狀態的總時間百分比。

優勢狀態下的差分輸出電壓。

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，收發器在兩種狀態下的電流消耗以及總線在兩種狀態下的時間量都是不言自明的。由于兩種狀態下的電流消耗都大不相同，并且在通信過程中CAN總線狀態一直在變化，因此總線處于隱性或顯性狀態的時間量將嚴重影響收發器的功耗。

在主導狀態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。

隱性狀態下的差分輸出電壓不是必需的，因為當總線處于隱性狀態時，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的時間百分比，VCC是收發器的電源，IREC是處于隱性狀態的VCC的電流消耗，IDOM是處于主導狀態的VCC的電流消耗， VOD是處于主導狀態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）收發器為例，并假設設備50％的時間處于顯性狀態，而50％的時間處于隱性狀態。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收發器發送和接收消息。在3.3V CAN收發器設備系列中，有兩個隱性電平：1.85 V和2.3V。

像SN65HVD230這樣的3.3V汽車CAN總線收發器具有2.3V隱性電平，旨在與5V CAN收發器一起最佳工作。其他產品，如帶有CAN-FD的3.3V CAN收發器，如TCAN330，也可以與5V CAN收發器一起很好地工作，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之類的工業應用將使用3.3V收發器，這是因為它們相對于5V CAN可以節省電能，并且在這些類型的系統中僅提供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收發器？

除非使用3.3V CAN總線，否則不需要3.3V CAN收發器。3.3V CAN收發器與能夠接受3.3V邏輯電平的CAN收發器之間存在差異。3.3V CAN收發器使用3.3V VCC電源電壓，通常用于工業應用中。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收發器相比有所不同。

微控制器僅連接到CAN收發器的邏輯引腳，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收發器的CAN節點

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器的功能，選擇合適的收發器并計算由該收發器引起的功耗就會更加容易。