CANバス回路の設計：CANバスPCBレイアウトガイドライン

CANバスノードには3つの主要なコンポーネントがあります：

1. マイクロプロセッサ
2. CANバスコントローラ
3. CANバストランシーバ

CANバスコントローラは、ネットワークプロトコルISO 11898-1の低レベル機能をすべて実装していますが、トランシーバは物理層と通信します。異なる物理層には、高速CAN、低速フォールトトレラントCAN、または可変データレートを持つ高速CANなど、異なるトランシーバが必要です。

典型的な実装では、CANバスコントローラとマイクロプロセッサはCAN対応マイクロコントローラに統合されています。市場にはSPIインターフェースを持つ外部CANバスコントローラがあり、主にMicrochipによって製造されていますが、不必要なコストと複雑さを追加することがよくあります。

この記事では、トランシーバからCANバスコネクタまでの回路設計を見ていきます。CANバスの回路設計に取り掛かる時が来ました！

ステップワン - 適切なICを選択する

すべてのCANバストランシーバは、CANバスコントローラを実装するマイクロコントローラ（またはFPGA）とCANバス自体の間に位置するため、類似して動作します。それでも、慎重に検討すべきいくつかの違いがあります。

適切なOctopartカテゴリーでの素早い検索により、CANバス・トランシーバの主要メーカーが、提供されるICの数による降順で、NXPセミコンダクターズ、マイクロチップ、テキサス・インスツルメンツ、マキシム・インテグレーテッド、アナログ・デバイセズ、STマイクロエレクトロニクスであることが明らかになります。

これらのトランシーバは見た目は似ていますが、機能や性能においてはそれぞれ異なります。

ESD保護

市場に出た最初のCANバス・トランシーバは、ESD（静電気放電）イベントからの保護がほとんど含まれていませんでした。すべてのI/O保護を外部コンポーネントで実装する必要がありました。

幸いなことに、もうそのような状況ではありません。ここにいくつかのランダムなICとそのHBM（ヒューマン・ボディ・モデル）ESD耐性をバスピンで示します：

部品番号	メーカー	ESD HBM耐性
L9616	STマイクロエレクトロニクス	6kV
IFX1050G	インフィニオン	6kV
TJA1051	NXPセミコンダクター	8kV
LTC2875	リニアテクノロジー	25kV
MAX14883E	マキシム・インテグレーテッド	22kV

 

ESD耐性が高いと外部保護にかかるコストを節約できるかもしれませんが、品質の高いTVSダイオードに少し余分に投資することで、信頼性が劇的に向上することを認識しておくべきです。

もしアプリケーションがスペースに制約があり、多くのESDに対処する必要がない場合は、オールインワンが適しています。私の場合は、外部TVSとより手頃な価格のトランシーバーを選択しました。

動作電圧

市場に出ているほとんどのトランシーバーは5Vで動作しますが、3.3Vで設計されたICも非常に人気があります。低い供給電圧は、dc-dcコンバーターの使用なしには実現できません。Maxim IntegratedのMAX14883Eのような一部のICには、トランシーバーの供給電圧に関係なく1.8Vデバイスとの相互運用を可能にするロジックレベルの供給入力が含まれています。

私の場合、MCUは3.3Vで動作するので、CANバストランシーバーにもそれを選択します。

速度

すべての高速CANバストランシーバーは、小規模ネットワーク上で最大1Mbpsで動作できます。CAN-FDトランシーバーは最大5Mbpsで動作可能ですが、多くの場合は2Mbpsなどの低速度に制限されています。

最終的なシステムデータレートは、バス容量、CANバス識別子の割り当て、および送信されるCANフレームのタイプによって制限されます。最悪のシナリオでは、最大値の3分の1の有効ボーレートが通常です。

絶縁

安全要件のために、絶縁されたCANバストランシーバが必要になる場合があります。例えば、ガルバニック絶縁を導入することで、バスが危険な電圧に接触した場合に、回路の低電圧部分を保護できます。同じ絶縁は、グラウンドループを断ち切り、ノード間のグラウンド電位の差をより大きくすることで、通信を改善することもできます。

もちろん、絶縁されたCANバストランシーバは、同様に絶縁された電源が必要になります。

省電力機能

多くのトランシーバには、ICの低消費電力モードに切り替えて送信機をオフにするために使用できるモード選択入力が含まれています。通常、受信機はアクティブのままで、RXDピンを使用してマイクロコントローラでウェイクアップ割り込みをトリガーできます。

モード選択入力は、時々、少なくとも数kOhmの抵抗を介して高または低に引っ張られるときに、スロープ制御の役割を果たします。信号のスロープを減らすことは、帯域幅を制限する可能性がありますが、トランシーバが生成する電磁干渉の量を制限することを可能にします。

バスおよびコモンモード電圧範囲

すべてのISO 11898-2準拠トランシーバは、CANHおよびCANL上のDC電圧が-3Vから+32Vの範囲で地面に対して耐えること、-150Vから100Vの過渡電圧に耐えること、およびコモンモードバス電圧が-2Vから+7Vの範囲で動作可能であることが求められます。

市場に出ているほぼすべてのICはこれらの要件を超えており、誰が最も顕著な数値を示せるかという非公式の競争が背景で行われています。

いくつかの例を挙げます：

部品番号	メーカー	CANHおよびCANLのDC電圧
L9616	STマイクロエレクトロニクス	-5Vから+36V
IFX1050G	インフィニオン	-40Vから+40V
TJA1051	NXPセミコンダクター	-58Vから+58V
LTC2875	リニアテクノロジー	+60Vから+60V
MAX14883E	マキシム・インテグレーテッド	+63Vから+63V

50Vを超える電圧は現在標準となっており、多くの車両が48Vで動作するハイブリッドパワートレインを特徴としており、トランシーバはシステムのより高電圧の供給レールへのバスショートに耐えることができる必要があります。

入力インピーダンス

ネットワークにどれだけのノードを配置できるかに関して明確なルールはありませんが、トランシーバーのCANHとCANLの間の入力インピーダンスは最も重要なパラメータの一つになります。

高い入力インピーダンスはバスにわずかな影響を与え、より多くのノードを可能にします。

スマートプロテクション

一部のトランシーバーは、以下のような広範な保護機能を実装しています：

• ドミナント状態タイムアウト：例えば、ハードウェアまたはソフトウェアの故障により、バスが長時間ドミナント状態に留まると、出力ドライバーが無効になります。
• サーマルシャットダウン。
• アンダーボルテージロックアウト：電圧不足の状態でデバイスが無効になります。
• レセッシブアンダーパワード状態：適切に電源が供給されていない場合、デバイスはバスをいかなる方法でも駆動しません。
• 電流制限：正または負の電源電圧に対するショートの場合の保護。

オートボーレートとリッスンオンリー

ほとんどのCANバス・トランシーバーには、実際にバスを駆動することなくTXDをRXDにフィードバックするリッスンオンリーモードが含まれています。この機能は、バスのボーレートを自動的に決定するためによく使用されます。

私の選択

私の設計では、TJA1051を選びました。主に私が節約志向だからで、市場で最も手頃なICの一つです。こちらで製品ページを見ることができます。

「メーカー部品検索」パネルを使用すると、フットプリントと3Dを含むコンポーネントモデルをすぐに見つけて、回路図に配置しました。モデルはAltium 365^™のクラウドライブラリから自動的にダウンロードされました。

ステップ2 - 相関する受動部品

フィルタリング

ローカルバイパスコンデンサが必要になることは言うまでもありませんよね？

さらに、CANHとCANLラインに通常40から100pFの小さな値の追加コンデンサを接地に接続することで、ESDエネルギーを吸収し、EMI耐性を向上させることができます。いつものように、バス容量が増加するとバス速度が低下し、トランシーバー出力段の負荷が増加し、消費電力が増加します。

終端

CANバスは、両端で120オームの抵抗で終端する必要があります。もちろん、ワット数をきちんと計算することもできます（標準は1/4W、心配性なら1/2W）、かわいい小さな抵抗を配置して一日を終えることもできます。しかし、なぜ物事を単純にするのでしょうか？

業界で実証されたほぼすべてのCANバスボードで採用されている、より洗練された技術はスプリット終端です。

スプリット終端では、2つの60オームの抵抗が直列に使用され、合計で120オームになります。2つの抵抗の間の電気的ノードは、通常4.7nFのキャパシタを介してグラウンドに接続されます。

キャパシタの値は、ネットワークの基本周波数で-3dbのカットオフ周波数を得るために計算されています。

私の場合、ネットワークは1mbit/sのボーレートを持つべきです。最悪のシナリオを想定すると、ネットワークが交互のビット列（01010101）を送信しているとき、信号は周波数500kHzの正方波、つまりボーレートの半分に等しくなります。

抵抗が60オームであることを知っているので、キャパシタを計算することができます。

キャパシタの値を近似する必要がある場合、少し小さいものの方が貴重な信号に対する干渉が少なくなります。したがって、最も広く採用されている値は4.7nFです。

受動部品のライブラリが必要な場合、Mark HarrisのCelestial Libraryを心からお勧めします。無料で、広範囲にわたり、慎重にキュレーションされています。

TVSダイオード

もしシステムが強い静電気放電(ESD)の影響を受けない場合、トランシーバICに含まれる保護だけで十分かもしれません。

TVS（過渡電圧抑制）ダイオードは、その低い等価並列容量のために一般的な選択肢です。

MOVなどの他の過電圧保護デバイスは、しばしば高い寄生容量を持っており、特に多くのノードを持つバスの場合、バスデータレートを制限する可能性があります。

CANバス用に特別に設計されたいくつかのTVSダイオードが市場に出回っており、例えば、ON SemiconductorのNUP2105Lをこの設計で使用することにしました。

トランシーバについては、Altium 365のライブラリから「Manufacturer Part Search」パネルを使用してワンクリックでモデルを配置し、回路図のシンボルやフットプリントを描く必要がありませんでした。

ステップ3 - PCBを設計する

タイトに保つ（この記事のようにはしない）

もし回路に保護がなければ、すべてのEMI電流がコネクタからトランシーバに直接入り、そしてグラウンドプレーンを通って戻ってきます。それが電流が最も低いインピーダンスの経路を選ぶからです。

保護部品はすべて、ループ領域を増加させないように、その経路にできるだけ近い場所に配置する必要があります。さらに、全ての保護は、ノイズが回路の残りの部分にカップリングするのを防ぐために、コネクタと基板の端にできるだけ近い場所に配置する必要があります。

自然なことですが、コネクタの直接近くにすべてを詰め込むことは不可能なので、優先順位をつける必要があります。一般的な経験則としては、「最悪」のEMIの影響を受ける部品を最初に配置することです。

私たちの場合、TVSダイオードは、高速で高電流のイベントに対処する必要があります。高速のインパルスは高周波成分に富んでいるため、チェックされずに基板内を自由に移動すると、利用可能なすべてのトレースと結合し、動作を妨げます。

したがって、TVSが最初に来ます。

終端抵抗が中間になかった場合、共通モードチョークが2番目になります。

私たちの例のPCBでは、まだ改善の余地があります。TVSダイオードを180度回転させることで、ESDループ領域をさらに減らすことができます。キャパシタC5とC6も180度回転させ、少し右に移動させることができます。

プレーンを使用する

すべてのPCBレイアウトガイドには、「グラウンドプレーンをこれに」とか「グラウンドプレーンをそれに」と書かれていますが、ボードの柔らかい腹部からEMIを遠ざけたい場合、それを避けることはできません。

グラウンドにクランプするどんな信号の直下にも、できるだけインピーダンスの小さい経路を保つために、グラウンドプレーンが必要です。TVSダイオードは、低インダクタンス接続を介してケーブルシールド（利用可能な場合）に直接グラウンドプレーンに放電するべきです。

低インピーダンスのビア技術を使用する

グラウンドトレースのインダクタンスによってその効果が無効にされるのであれば、コンデンサーに私たちの稼いだお金をすべて使うことはあまり意味がありません。

この設計では、パッドの外側にビアを使用しました。ビア・イン・パッド技術とは異なり、PCBの製造に追加のステップが必要ないため、コストが増加しません。ビアはテンティングされていなければならず、そうでないとはんだペーストが内部に流れ込み、パッドが適切に濡れなくなります。

Altium Designerのビアプロパティに関するドキュメントは、こちらで見つけることができます。

ステップ5 - 共有（純粋なセールスピッチ）

さて、怪しい人物が書いた記事を何時間も読んだり、トランシーバーについて調査したり、完璧なCANバスのサブ回路をテストして検証したりしたとしましょう。次は何をするのでしょうか？

最初のステップは、入出力用のポートを使用して、単一の回路図ドキュメントで回路を設計することです。これは、階層設計を行う場合と同様です。

エクスプローラーパネルを使用して、新しい「Managed Schematic Sheets」フォルダを作成します。

フォルダが作成されると、組織内のすべてのユーザーがアクセスできるようになり、回路図シートのアップロードを進めることができます。

管理された回路図シートを任意のプロジェクトに配置することができます。

新しい管理された回路図シートは、「再利用」の緑色のシンボルで区別されます。

なぜすべてが黄色や赤ではなく青いのか知りたい場合は、デザインスタイリングについての私の前の記事をチェックしてください。

ヒントとコツ

スタブに追加の終端を加える

例えば、1.3 kOhmのオプショナルな「弱い」終端は、スタブ距離が長いノードのEMI耐性を改善するのに役立ちます。しかし、同じ抵抗はネットワークに負荷をかけ、ノードの数を減少させ、バスの最終的な名目インピーダンスを減少させ、最大速度を低下させます。

多ければ多いほど良い。それとも？

コストに制約がなく、入力保護が最優先事項である場合は、二次保護を追加することを検討すべきです：

TVSが処理できる以上のエネルギーを「吸収」するためのMOV（メタルオキサイドバリスタ）またはGDT（ガス放電管）。
MOV/GDTとトランシーバーの間に何らかの電流制限装置を配置することが望ましいです。例えば、高インパルス抵抗器、バリスタ、またはTBU^®（Bournsが販売する高級な半導体バリスタ）などです。

ただし、これらの装置は等価バス容量を増加させ、データレートを低下させ、電流消費を増加させる可能性があることを常に念頭に置くべきです。

共通モードチョークは素晴らしいが危険

標準モードチョークはCANバスで使用される最も一般的なタイプのフィルターで、非常に効果的ですが、考慮すべきいくつかの欠点があります。

コモンモードチョークは、CANバスの寄生容量と共振を起こすことがあり、特定の周波数帯でノイズが増加することがあります。この効果は、コモンモードチョークのインダクタンスがほとんど正確に指定されていないこと、そして寄生容量がケーブルの長さによって大きく変動する可能性があるため、CANバスデバイスのEMI特性を予測不可能にすることがあります。遮蔽されていないケーブルを使用する場合、ケーブルの接地された金属面への近接度に応じて、容量が変動する可能性があります。

ご存知の通り、コモンモードインダクタはコモンモードでインダクタとして振る舞います。当然です。電源またはグラウンドへのショートなどの故障状態は、高い瞬間的なコモンモード電流を引き起こすことがあります。場合によっては、コモンモードチョークのインダクタンスによって生じる過電圧がCANバストランシーバを損傷させる可能性があります。これらの過電圧は、過電圧保護の後に発生するため、デバッグが非常に困難な場合があります。過電圧保護は通常、基板の端に配置されます。

チョークの第三の欠点…それらは高価になることがあります。高速差動信号では、非常に低い電流リークが必要です。

一部のICメーカー、特にTexas Instrumentsは、「チョークレス」CANバスネットワーク用の絶縁され、高いEMI耐性を持つデバイスを推進しています。

TRANSLATE: 私はそれらがかなり好きなので、CANバスアプリケーション用に特別に設計されたコモンモードチョークを選ぶことにしました。

結論

CANバスには恋をしているに違いない。その無限の柔軟性と極端なEMI耐性の間で、それは疑いなく世界で最もエキサイティングな標準の一つです。

Altium Concord Proを使用すると、組織内で回路図をシームレスに共有でき、設計の再利用を可能にし、新製品の発売に必要なエンジニアリングの労力を最小限に抑えることができます。

他に質問がありますか？Altiumの専門家にお電話ください。