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应用方案 | 5V供电CAN器件和3.3V供电MCU之间的通讯

目前市场上最常用的CAN通讯接口器件大多都是采用5V供电,而大部分的MCU供电电压却从5V降低到了3.3V供电,这样就会造成5V CAN通讯接口器件和3.3V MCU进行通讯时的接口电平不一致问题,本文针对这种应用提出几种5V供电CAN器件和3.3V供电MCU之间的连接方式,并给出了川土微电子产品的具体应用案例。

CAN器件概述和MCU之间的连接

CAN器件和MCU之间是通过RXD和TXD进行连接的,MCU发送的数据到CAN器件TXD后,由CAN收发器转换成CAN的隐性和显性电平发送到CAN总线,在接收数据时,CAN总线上的隐性和显性电平通过CAN收发器转换成逻辑电平由RXD输出到MCU。

以川土微电子的CA-IF1051S/HS为例,对于5V供电的CAN收发器,TXD输入的电平范围通常是VIH>2V, VIL<0.8V,3.3V MCU输出的电平可以满足这个要求,所以,3.3V供电的MCU TXD输出可以直接连接到5V供电的CAN TXD。但是5V供电 CAN收发器的RXD输出通常是VOH>4V,VOL<0.4V,对于输出的高电平4V已经超过了MCU的供电电压,所以通常需要对CAN收发器输出的RXD进行处理后再和MCU进行连接。

直接连接,由MCU的输入引脚特性决定

对于有些3.3V供电电源的MCU,其IO引脚可以承受5V的电压,在这种情况下,可以直接将5V CAN收发器的RXD输出直接连接到MCU的RXD引脚。

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上图为一款常用MCU的引脚定义图,可以看出,该MCU 的CAN RXD和CAN TXD在3.3V供电时,IO引脚是可以承受5V的电压。在MCU采用3.3V供电的情况下,可以支持和5V供电的CAN收发器进行连接。

通过电阻进行分压连接

如果MCU的引脚无法承受超过其自身供电电源的电压,可以通过两个分压电阻来衰减CAN收发器输出的电压以满足处理器的输入电平要求。

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对于电阻R1和R2的选择,要求分压后连接到MCU的高电平电压不超过处理器供电电压3.3V且高于处理器VIH的接收门限。通常R1可以选择2kΩ—20kΩ,R2选择3.3kΩ—33kΩ。这种设计的优点是两边的器件都不会承受过压的情况,并且设计比较简单,缺点是功耗增加,因为在总线空闲状态时,RXD的输出是高电平,由于分压电阻连接到GND,所以在总线空闲状态下一直有电流流过R1和R2,造成功耗增加。

对于电阻R1和R2的选择,要求分压后连接到MCU的高电平电压不超过处理器供电电压3.3V且高于处理器VIH的接收门限。通常R1可以选择2kΩ—20kΩ,R2选择3.3kΩ—33kΩ。这种设计的优点是两边的器件都不会承受过压的情况,并且设计比较简单,缺点是功耗增加,因为在总线空闲状态时,RXD的输出是高电平,由于分压电阻连接到GND,所以在总线空闲状态下一直有电流流过R1和R2,造成功耗增加。

通过限流电阻连接

对于MCU的IO引脚,内部通常都带有保护二极管,当超过电源电压后内部二极管导通,IO引脚一般能够承受数个毫安的吸收电流。通过外部的限流电阻来保护引脚不被损坏并且把输入电压限制到不超过处理器的供电电压。

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对于R1电阻的选择要求较低,可以通过选择电阻把流入MCU的电流限制到很低来降低功耗。该设计的优点是设计更简单,同时也可以兼容3.3V CAN收发器。外部电阻可以限制到更低的电流来降低总线空闲时的功耗。缺点就是MCU引脚内部的保护电路工作,吸收一定的电流。

通过MOSFET实现电平转换

由于处理器和CAN收发器的供电电源不同,采用电平转换器实现不同电压的电平转换来满足双方的要求。可以采用集成的电平转换器。但是该应用中只有一路信号需要电平转换,也可以通过外部的一个MOSFET来实现电平转换。

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该设计中可以选择2N7002 N-MOSFET,当CAN收发器的RXD输出为高电平时,MOSFET不导通,MCU的RXD输入由上拉电阻保持输入高电平,当CAN收发器的RXD输出为低时,MOSFET体二极管导通,把MCU的输入端拉低同时MOSFET导通,使MCU的RXD输入端为低电平。这种设计方式可以实现最低的功耗并且MCU不会承受过压状态。相比较之前的方案,MOSFET的成本会比电阻稍高。

川土微电子推出的CA-IF1051S CAN收发器采用5V供电,该器件支持经典CAN 1Mbps和最高5Mbps CAN-FD通讯,具有±58V故障保护电压和±30V共模输入电压。内部的显性超时保护功能可以支持最低4kbps的通讯速率,可以确保CAN通讯的可靠。采用上述方式可以实现和3.3V MCU之间的通讯连接。CA-IF1051VS器件带有IO供电电源,可以直接支持3.3V的接口供电而不需增加额外器件来实现电平转换。

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本文分析了处理器和CAN收发器输入输出的逻辑电平要求,给出了4种方法来实现3.3V MCU和5V CAN收发器之间的通讯连接,并分析了各个实现方案的优缺点。对于方案3的设计,可以同时兼容3.3V CAN器件的连接。川土微电子的多款CAN收发器产品可以满足客户不同的设计要求,实现可靠的CAN通讯。

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CA-IF4420符合 ISO11898-2 (2016) 高速CAN(控制器局域网络)物理层标准。所有器件均设计用于数据速率高达 5Mbps(兆位每秒)的 CAN FD网络。该器件支持总线故障保护电压±58 V,具有极性控制端口POL,可以控制总线的极性。该系列器件包含VIO电源的电平逻辑转换,允许将收发器IO直接连接到1.8V、2.5V、3.3V或5V逻辑IO。
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