车载充电机CAN总线抗干扰研究.docx
车载充电机CAN总线抗干扰研究电动汽车车载充电机是一种对电动汽车动力 电池充电时的电力 转换装置。在车载充电机内部不免存在谐波、高频噪声等干扰,这些 干扰将对其CAN总线物理传送造成影响,从而干扰车载充电机与动 力电池之间的CAN通信交互,引起电动汽车充电功能的不稳定。因 此,文中将针对电动 汽车车载充电机电磁干扰的特点,研究分析CAN 总线抗干扰方法,并且通过试验验证改进后的抗干扰效果。1 .车载充电机电磁干扰的产生机理车载充电机包括了整流电路、逆变电路、隔离电路、开关控制电 路等部分,如图1所示。开关控制电路在车载充电机内部存在着很多引起电磁干扰 的因素,可以根据 车载充电机的组成部分对电磁干扰产生机理进行分析。整流电路一般会由四个整流二极管和大电解电容组成。当二极管 正向导通时,PN结上聚集着大量载流子。当二极管受到反偏电压而转 向截止状态时,载流子消除之前的反向恢复电流急剧减少,产生很大 的电流变化,形成电磁干扰。在逆变电路中,采用了高速导体开关器件。在器件通断过程中,跳 变电压在电容上产生很大 的充电或者放电电流,从而产生严重的电 磁干扰。同时,变化的电流在电感上感应出电压,以致在电路中形成一 个电压干扰。隔离电路中的变压器利用电磁互感应变换电压、电流和阻抗。 变压器的特性决定了该部分电路可能产生一定的空间辐射,从而形 成辐射干扰。除了上述原因,原理设计的不合理,元器件布 置和电路板布线的 不合理,电源线、信号线的走线随意,均会引起电磁干扰。2 .抗干扰方法分析设计2.1 干扰源类型通过分析可知,车载充电机内部存在着较强电磁干扰。高速导体开关 器件与电容间相互作用产生的高频振荡以及变压器引起的电磁场均 会对CAN总线的电缆造成场-电缆耦合干扰。各个电路的信号地之间 的电位差会给CAN总线造成公共阻抗耦合干扰。电源线与信号线之 间的串扰会影响CAN总线传输质量。CAN总线受电磁干扰的路径如 图2所示。图2根据干扰结果的不同,干扰可分为共模干扰和差模干扰。共模干 扰是指信号线与信号地之间的干扰。差模干扰是指信号线之间的干 扰。共模干扰和差模干扰的区别在于差模干扰电流在信号线之间流动, 而共模干扰电流不但流过信号线,而且也流过信号地。由于电路中阻 抗不平衡会导致共模和差模干扰相互转化。2.2 抗干扰措施针对干扰源类型及其传播路径,将通过以下几种措施来有效地 消除影响CAN总线的电磁干 扰。2.2.1 选择电磁兼容性能好的元器件在设计电路板时,要选择电磁兼容性能良好 的元器件,尤其选择表面贴装的元器件,以便提高电子设备本身的电磁兼容性能。2.2.2 合理布局走线元器件的布局不当是引发干扰的重要因素。在元器件布置时,把 相关器件尽量放置在一起,并且使引线尽可能短。另外,将控制芯片、 CAN总线电缆等部件尽量远离高压器件和高压线束。2.2.3 采用屏蔽技术采用电磁屏蔽装置对变压器等电磁辐射源进行屏蔽,降低辐射源 对外的电磁干扰。同时,使用屏蔽双绞线作为CAN通讯线,减少线路之 间的串扰现象。2.2.4 合理设计信号地将数字地与模拟地有效隔离,防止相互之间的信号干扰, 并且使用双层板或多层板,减少信号 地阻抗,这样可以尽量使电路板 上所有信号地处 于等电位状态。3 .测试原理及结果对比3.1 测试原理CAN总线由信号线CAN _H、CAN_L及CAN_GND组成,它是通过两根信号线之间电压 差的方式来传递信号。CAN2.0B规范定义了 两 种互补的逻辑数值,即为显性、隐性。假设VCAN_H表示CAN.H 对CAN_GND的电压,VCAN_L表示CANJ.对CAN_GND的电压,那 么可得CANJH与CAN_L之间的差分电压为：Vdiff = V CAN-Il VcanJ.，（ 1）CAN_H与CAN_L之间的共模电压为VCTn = 0.5 × （VCAN_H - VCANj）O （ 2） 当CAN总线为隐性时Wcanj和VCANJ均为 2.5 VTdiff为0 VKm为2.5 V。当CAN总线为 显性时，Vcan.h 为 3.5 V, VcANJ 为 1.5 V,Vm 为 2.0 V,Vnn为2.5 Vo CAN总线的理论电平如图 3所示。VCAN_HCAN_L图3 CAN总线理论电平采用MSO40 34B示波器对车载充电机的CAN总线电平进行测量。测试系统硬件连接如图4所示。示波器CHl CH2GND'YCANJI CAN_L CAN_GND车载充电机3.2 结果对比通过上述方法,分别对改进前和改进后的CAN总线电平进行测 量。CAN_H和CAN_L对CAN_GND电压的波形、差分电压的波形、 共模电压的波形分别如图5图7所示。(b)改进后图5 CAN_H和CAN_L对CAN_GND电压的波形G -iS5.S0200V 以2S3.50ZWOV大小大小«1«M $,00MSo 由适2.46 V2,22 V3.72 V÷小小M*fi*¾漕卜a22P 、 京 3.2J.SAN2.3.3.:、催$ $ 2 2 $ X WA 4 2 7 S承 N ri3.3.:、xsev1：Ky "鸡V羽火 8 2 2 OX2 7 SftN & 器3.:、'(b)改进后图6 Vdiff的波形:翩嘴IrltlJKZZ=SSZ32:嫩二拓蔚诵Tolo V 1 ：*济59$4.。&OV ：纶?”纱丝邈出蛉上5.70 V 3 sv4.48 V 3.20 V：.踞v不应您整小破5.70S.73 S3.S4.4«4.43.203,20馈弋 B & g Q ; 号.8.4.2;赛3 3 q 3.:(a)改进前懿6歹：二二 撩5.02 V 4,74 V3.72 V 器於丫U.29s4.S20VQ7 1408$C80QQ国 YJ)(- a <-ops嶷小您2.86 VZ 4.OOs大小÷小, H i(b)改进后图7 Vcm的波形从图5图7中可得到,当CAN总线为显性时,改进前后的CAN总 线电平数值。对比结果详见表1。信号理论值/V改进前实测值/V改进后实测值/V最大值最小值最大值最小值VCANiBH3.54.483.203.723.56VCANje1.51.900.461.381.18Vditt2.03.901.382.462.22Vm2.52.851.932.512.37表1显性时改进前后的CAN总线电平对比
