電力電子開關(guān)變換器全數(shù)字化有源共模噪聲抑制技術(shù)

CAN (Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)) 通訊協(xié)議可以使用平衡的差分信號以高達(dá)1Mbps數(shù)字傳輸。在理想情況下，使用差分信號可以防止任何噪聲耦合，每半個差分對 (稱為CANH和CANL)和它們各自的噪聲的對稱變化相互抵消。

但是，沒有CAN收發(fā)器是完美的，這是由于微小的非對稱CANH和CANL信號的存在可能導(dǎo)致差分信號的不完全平衡。發(fā)生這種情況時(shí)，共模 (CANH / CANL的平均值)的CAN信號將不再是恒定的直流值。相反，它的數(shù)值會與噪聲相關(guān)。

在CAN協(xié)議電路中為什么需要共模扼流圈 (Common Mode Choke)?最主要因素是收發(fā)器內(nèi)CANH/CANL 兩者的“穩(wěn)定狀態(tài)共模電壓電平 (Steady-State Common-Mode Voltage Level)”及時(shí)間值的輸出差異。這是發(fā)射器內(nèi)半導(dǎo)體級的問題，難以避免，在高頻環(huán)境下影響更明顯。為了減少輸出噪聲的后續(xù)影響，有必要考慮外部濾波器元件。

使用共模扼流圈的利與弊

共模扼流圈是CAN通訊協(xié)議中最常用的濾波器組件。

圖1，CAN收發(fā)器的CANH/ CANL與扼流圈連接圖

共模扼流圈簡單易用，能有效解決CAN收發(fā)器輸出噪聲問題。該元件由兩個線圈組成，兩個差分信號通過線圈產(chǎn)生磁通量(magnetic fluxes)，使兩個差分信號相互抵消。因此不會有凈通量積累在核心，就好像在同步輸出之前短路CAN信號一樣。這方法也增加了共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio，CMRR) 。

共模抑制比是模擬電路差分系統(tǒng)中，一個用于衡量其抑制兩端輸入信號共模部分的一個參數(shù)，以dB為單位數(shù)值。以方程表達(dá)：

CMRR =差分增益/共模增益

CMRR數(shù)值愈高，表示系統(tǒng)的信號放大率提高時(shí)共模的影響會愈趨減少。下圖是一典型量度差分放大系統(tǒng)的CMRR。當(dāng)中就算電阻器對之間有0.1％的失配 (mismatch) ，將導(dǎo)致CMRR的dB會急遽下跌。由于扼流圈兩端阻抗等同，故系統(tǒng)中的CMRR相比較其他濾波方法還是具有優(yōu)勢。

圖2，典型共模抑制比(CMRR)測試電路

另外，扼流圈的電感效應(yīng)與CAN收發(fā)器的輸出阻抗配合——當(dāng)總線處于隱性狀態(tài)(recessive state) 時(shí)，為信號提供高阻抗；當(dāng)總線處于主導(dǎo)狀態(tài)(dominant state) 時(shí)，為差分信號提供低阻抗優(yōu)化。

然而，增加一個共模扼流圈也有一些缺點(diǎn)。一般來說，共模扼流圈可能會產(chǎn)生信號完整性問題，例如信號損耗或串優(yōu) (crosstalk)，及其中最嚴(yán)重的意外后果是因電感式反激產(chǎn)生極高的瞬態(tài)電壓，使CAN總線連接到直流電壓，導(dǎo)致高瞬態(tài)電壓(High Transient Voltage) 。不幸的是，其瞬態(tài)響應(yīng)是受到終端、總線負(fù)載、直流短路、電壓電平、布線和其他影響，所以很難完全消除、防范或預(yù)測。

抑制瞬態(tài)高壓

由于瞬態(tài)電壓是產(chǎn)生于共模扼流圈和收發(fā)器之間，如圖3的線路中，在兩者之間加上TVS齊納二極管作為“瞬態(tài)保護(hù)器”。這樣，除了有效壓制收發(fā)器與扼流圈之間的高瞬變電壓，也能實(shí)現(xiàn)保護(hù)收發(fā)器免受高脈沖破壞。

圖3，CANH/CANL、扼流圈與瞬態(tài)保護(hù)器連接圖

使用此電路，瞬態(tài)電壓可以在控制下被充分壓制。在選擇正確的保護(hù)裝置時(shí)，請留意齊納二極管響應(yīng)速度必須足夠快以鉗制瞬態(tài)電壓。此外，齊納二極管的電容值也必須考慮。如果電容值太高，瞬態(tài)電壓會與扼流圈的電感一起工作并在總線上產(chǎn)生振鈴信號(ringing signal)。雖然這種振鈴不會損壞CAN信號，但它好像電磁一樣，會形成更高的發(fā)射頻率。

新趨勢：無扼流的CAN設(shè)計(jì)

“分離終端（split termination）”是現(xiàn)在較普遍的解決方案，大多數(shù)生產(chǎn)商都能提供應(yīng)用線路的方案。分離終端電路是由兩個相等值的分流電阻和一個旁路電容組成，電容連接在電阻和GND之間，形成兩個低通濾波器，將高頻嘈聲引向地面。請注意，兩個電阻必須接近相同的值。但由于缺少了改善共模抑制比及阻抗優(yōu)化，也沒有瞬態(tài)保護(hù)，所以仍有工程師會繼續(xù)使用扼流圈，并將兩者合并使用，以TI公司收發(fā)器為例，其建議的線路圖如下所示：

圖4，CANH/CANL、扼流圈、瞬態(tài)保護(hù)器與分離終端連接圖

2.也有芯片制造商希望從半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造開始，嚴(yán)格控制芯片本身，以確保CAN總線波形的平衡。例如，TI的TCAN1042系列希望幫助工程師減少對扼流圈的依賴。

圖5，TI TCAN1042功能框圖

總結(jié)

使用共模扼流圈作為CAN系統(tǒng)收發(fā)器的濾波元件，可能在CANH/CANL差分信號造成高瞬態(tài)電壓，損壞系統(tǒng)，這是由于受電感值、CAN系統(tǒng)架構(gòu)、終端及元件位置等不同因素影響造成的，所以很難完全消除，防范或預(yù)測。以下建議有助避免共模扼流圈對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響：

盡量只使用“分離終端”作為濾波器;

如果必須使用共模扼流圈，建議在CANH/CANL引腳與共模扼流圈之間增加一個“瞬態(tài)保護(hù)器”以抑制瞬態(tài)電壓。