本應用筆記解決了僅使用3.3V電源為汽車電子控制單元（ECU）供電的一個非常常見的問題。ISO 11898-2標準規定，只有5V電源軌為CAN收發器供電。本文介紹如何為汽車CAN收發器提供3.3V電荷泵，以提供低功耗、低電壓且簡單的解決方案。通過消除5V電源軌，許多汽車OEM將節省重量和成本，同時提高里程性能。本文還討論了該電路對電磁輻射（EME）和抗擾度（EMI）以及電磁兼容性（EMC）的影響。MAX13041 CAN收發器與MAX1759電荷泵結合使用。

介紹

從首次推出汽車開始，制造商就見證了對更舒適、更高效、環境清潔、更好性能和更安全車輛的需求不斷增長。隨著每一次改進，車輛所需的布線量開始顯著增加。在 1980 年代初由博世發明后，CAN 總線網絡迅速被汽車行業采用，因為它減輕了線束的重量和成本。

較舊的集中控制系統的所有執行器和開關都通過多根電線。較新的CAN總線系統是一種分布式系統，其電子控制單元（ECU）位于需要每個單元的地方，并通過雙線總線系統連接。這種新系統帶來了顯著的優勢，并解決了制造商的性能和成本目標，但它需要標準化，以便在不同供應商的ECU之間進行適當的通信。

這種標準化最初是由ISO（國際標準化組織）組織于1993年完成的。2003年對該標準進行了修訂。從那時起，ISO 11898標準是車輛中所有CAN通信的事實標準;它被所有原始設備制造商普遍接受。

為了符合ISO 11898-2：2003標準，CAN收發器總線驅動器通常需要由5V電源軌供電，以提供適當的總線信號電平。這個規范很明確，但實現它并不總是那么簡單。大多數電子系統工程師都熟悉主電源軌無法滿足子系統的電源要求時的問題。在這些情況下，可用的電源軌通常不能直接為CAN收發器供電。簡而言之，只有一個3.3V單電源可用，通常是因為空間不足，無法包含最佳數量的電源。在其他情況下，由于散熱問題，直接從電池軌產生5V可能是不可接受的。在需要高電池電壓下進行CAN通信的系統中尤其如此，例如，在車輛或24V卡車系統中的雙電池條件下。

有一種方法可以從5.3V設計實現3V電源。電壓轉換器可以產生所需的電壓電平，電荷泵通常是需要低功耗、簡單和低成本組合的應用的最佳選擇。此外，電荷泵易于使用，因為它們不需要昂貴的電感器或額外的分立元件。

選擇電荷泵

收發器電源

MAX13041 CAN收發器上的VCC引腳用于為IC的內部參考電壓和接收器級供電，并在總線上提供適當的通信電平。為了符合ISO 11898-2標準，VCC必須在4.75V和5.25V之間（正常工作電壓范圍）。

VI/O輸入提供了一個與3.3V I/O微控制器的接口，以在控制器和收發器的接收/發送級（RxD/TxD）之間獲得正確的電壓電平。當然，當應用程序與這樣的控制器通信時，該引腳也可以由5V供電。

VBAT引腳通常連接到汽車電池（12V），提供一個非常低的靜態喚醒檢測電路。該引腳使MAX13041能夠通過CAN消息從休眠模式喚醒，并且如果檢測到VBAT電源上的欠壓，則會將收發器置于低功率模式。

有關所有其他引腳的詳細說明，請參考MAX13041數據資料。

電源電流

CAN總線可以具有兩種邏輯狀態之一：隱性或顯性（圖1）。在正常通信模式下，MAX13041需要最大V抄送顯性狀態下的輸入電流為80mA，隱性狀態下的輸入電流為10mA。電流進入VI/O和 V.BAT可以忽略。 然而，在總線故障期間，V抄送電源電流會顯著增加，尤其是在CAN_H總線短路至地時。收發器將短路電流限制在IO（SC）= 95mA。為避免電源電壓擊穿的風險，在這種情況下，最好確定電荷泵輸出電流的尺寸。

考慮到上述因素，為CAN收發器提供適當的電源需要輸出電壓為5V、上述電壓容差和95mA最小輸出電流能力的電荷泵。

圖1.用于隱性和顯性邏輯狀態的CAN總線的電壓電平。

電荷泵

雖然市場上有許多傳統的電荷泵器件，但本應用筆記重點介紹MAX1759降壓/升壓調節電荷泵，以解決電源軌問題。

MAX1759從5.1V至6.5V輸入電壓提供穩定的5V輸出電壓。其開關頻率為 1.5MHz，允許在 100mA 輸出電流下使用小型外部電容器。該器件的架構允許輸入電壓高于或低于調節輸出電壓。但是，在此應用中，它僅用作升壓電壓轉換器。當 V在低于 V外，電荷泵作為穩壓升壓倍增器工作。輕負載時，電荷泵僅在必要時切換以向負載供電，從而產生低靜態電流。輸出電壓紋波不會隨輕負載而增加。

有關電荷泵所有特性的詳細說明，請參考MAX1759數據資料。

示例：采用MAX3和MAX3的13041.1759V電路

圖2中的電路說明了從MAX13041電荷泵的輸出端為MAX1759供電是多么容易。MAX1759只需添加到V中即可抄送CAN收發器的輸入（藍色虛線），產生具有所需容差和輸出電流的5V輸出電壓。這種配置允許電路的其余部分由較低的電壓供電。在本例中，選擇3.3V（綠色）的外部電源電壓為電荷泵（IN）、微控制器和V供電。I/O收發器的電平轉換器電壓。電荷泵的/SHDN輸入被拉高，使器件進入“導通”狀態。輸入/輸出的詳細尺寸（C在， C外）和跨接電容器（CX）在MAX1759數據資料中有說明。

圖2.為MAX5 CAN收發器提供13041V電壓的電路使用MAX1759電荷泵。

電磁兼容性

在CAN應用中，實現電磁兼容性（EMC）可能是一個挑戰，尤其是在系統配備開關穩壓器的情況下。CAN系統的線束尤其成問題，因為CAN收發器的CAN_H和CAN_L引腳是連接到整個車輛的總線網絡的接口。如果不小心，可能會遇到或產生從CAN電源傳播的干擾，通過收發器，通過總線線，并傳播到線束的相鄰電纜中。這種干擾會導致傳輸控制單元或系統中其他控制單元的通信錯誤或故障。

基于此，Maxim測試了MAX13041由MAX1759電荷泵供電時的EMC行為。Maxim考慮了兩個領域：電磁抗擾度（EMI）和電磁輻射（EME）。測試結果與標準5V供電MAX13041的性能進行了比較。這些測試根據EMC干擾確定電荷泵的影響，并證明電荷泵對來自CAN線路傳播到電源的干擾的魯棒性。

抗擾度測試

ISO 11452 規范描述了幾種測試射頻干擾抗擾度的方法，包括大電流注入 （BCI）、橫向電磁電池 （TEM-cell）、帶狀線和直接功率注入 （DPI）。

Maxim之所以使用DPI方法，是因為該方法具有高度可重復性（由于使用了定義明確的測試板），并且需要相對較少的測試工作。DPI測試將一定的交流電壓注入總線線路，無論是否調制，并通過收發器的RXD引腳檢查傳輸的數據信號的完整性。這種方法有助于不同供應商的設計進行比較，此外，測試CAN收發器的獨立實驗室（例如，IBEE Ingenieur Buero fuer industrielle Elektronik）也使用這種方法。

測試設置

測試裝置（圖3）由三個相同的收發器組成，安裝在指定的PCB上，其中一個由MAX1759電荷泵提供。節點1作為模擬CAN消息的位模式的發送器進行操作，該CAN消息將在所有收發器的RXD輸出端口處被接收和監控。對于輸出Rx1至Rx3以及輸入TxD1的RF去耦，使用1kΩ電阻器。在每個收發器IC的電源端口VCC和VBAT處使用緩沖陶瓷電容器（C=100nF）。喚醒引腳處的電阻值為33kΩ。通過將EN和有效低STB引腳都綁高，將設備設置為正常模式。節點1的VCC電壓由MAX1759電荷泵電路產生，該電路提供3.3V。3.3V電源也用作收發器節點1的VI/O電壓。

電荷泵的輸出電容C1為10μF，跨接電容C2為330nF，IN引腳由一個10μF電容去耦。在測試電路中，總線端接通過使用60Ω R4電阻的中央端接實現。對稱RF耦合/去耦通過并聯RC組合R5/R6 = 120Ω、C3/C4 = 4.7nF實現。外部 3.3V、5V 和 12V 電源由標準電源提供，并由濾波網絡濾波。

圖3.DPI 和排放測試的測試設置。

測試程序

測試是在MAX13041 CAN收發器正常工作的情況下進行的。第一次測試運行是使用標準V提供的所有收發器進行的抄送= 5V 電源。碼型發生器產生占空比為50%的方波，以模擬節點0的TXD引腳上1kbps的CAN信號（永久數據交替0-500-1）。射頻輸入（HF1）上的高頻發生器將一定頻率的調幅（AM）交流電壓以36dBm的功率注入CAN線路以模擬干擾。

為了評估抗擾度，將網絡中三個收發器的Rx信號在干擾的影響下與使用示波器饋入TXD的信號進行比較。

在TXD信號波形上疊加了最大允許電壓偏差為±0.9V、最大允許時間偏差為±0.2μs的驗證模板。

如果故障標準為真（即，如果其中一個收發器的RXD信號超出驗證掩碼窗口），則注入的RF功率降低0.2dBm，并重復相同的測試（在特定頻率步長），直到故障標準為假。然后，記錄當前功率值并調整下一個頻率步長。該測試是在10MHz至100MHz的頻率范圍內進行的。

DPI 測試結果

圖4所示為MAX13041的測試結果曲線，采用標準5V電源供電抄送（藍色）并由電荷泵提供（粉紅色）。X 軸表示頻率范圍，而 Y 軸表示無故障注入的最大功率。由于藍線和粉線幾乎相同，可以看出電路的EMI行為由CAN收發器的EMI敏感性主導，而不是電荷泵的EMI敏感性。因此，為MAX13041 CAN收發器提供MAX1759電荷泵不會顯著影響電路的EMI行為。

圖4.DPI 測試結果。

排放測試

輻射測試在與DPI測試相同的測試板和測試設置上進行，只是功率注入器（HF發生器）被頻譜分析儀取代。測試再次在CAN收發器以正常模式運行的情況下進行。第一次測試是使用標準V提供的所有收發器進行的抄送= 5V 電源。CAN TXD輸入上施加的方波（模擬500kbps的傳輸比特流）保持不變;頻譜分析儀在100kHz至1GHz頻率范圍內測量和記錄的CAN線路上的發射。不需要DSO（圖3）。

排放測試結果

圖5所示為MAX13041的EME曲線，由標準5V電源供電抄送（藍色），以及MAX1759電荷泵（粉紅色）。X軸表示頻率范圍，而Y軸表示干擾的程度。

同樣，藍色和粉紅色線（電荷泵提供的一個收發器）與MAX13041采用標準5V電源（藍色）的線幾乎相同。因此，可以看出，電路的輻射行為主要取決于CAN收發器的輻射兼容性，而不是電荷泵的輻射兼容性。這些測試結果表明，CAN收發器可以配備電荷泵，而不會顯著影響系統的整體EMC行為。

圖5.MAX13041的EME曲線由標準5V（藍色）和MAX1759電荷泵（粉紅色）提供。

結論

在CAN應用中實現EMC可能具有挑戰性，特別是如果它們由開關穩壓器（電荷泵）供電。然而，本應用筆記表明，電路的EMC行為由CAN收發器的EMC控制，而不是電荷泵的EMC。

基于上述理解，MAX13041可以采用3.3V MAX1759電荷泵供電。需要3.3V低功耗、低電壓工作和低成本的應用可以在5V電源軌不可用時使用此選項。

審核編輯：郭婷