“硬核”的CAN收發(fā)器在汽車(chē)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

前文談及，在車(chē)載應(yīng)用中（如T-BOX），對(duì)于高速信號(hào)的傳輸，PHY是冉冉升起的新星；而對(duì)于較低速信號(hào)的傳輸，CAN仍是必不可缺的成員。未來(lái)的T-BOX，很有可能需要將車(chē)輛的ID、油耗、里程、軌跡、車(chē)況（門(mén)窗燈、油水電、怠速等）、速度、位置、用車(chē)屬性、車(chē)輛配置等都展現(xiàn)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)上，而這些速率要求相對(duì)較低的數(shù)據(jù)傳輸，靠的正是本文的主角CAN。

CAN總線由德國(guó)博世公司于上世紀(jì)80年代提出，至今已經(jīng)成為了汽車(chē)中不可或缺的重要組成部分。為滿足車(chē)載系統(tǒng)的不同要求，CAN總線又分成高速CAN和低速CAN。高速CAN主要用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的動(dòng)力系統(tǒng)的控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速箱、組合儀表等。低速CAN主要是用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的舒適系統(tǒng)和車(chē)身系統(tǒng)的控制，如空調(diào)控制、座椅調(diào)節(jié)、車(chē)窗升降等。在本文主要談及的是高速CAN。

雖然說(shuō)CAN已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，但是在汽車(chē)的應(yīng)用中仍是面臨著各種挑戰(zhàn)。本文將會(huì)細(xì)數(shù)CAN目前面臨的種種挑戰(zhàn)，并介紹相關(guān)的應(yīng)對(duì)技術(shù)。最后，還將詳細(xì)介紹TI在CAN應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)所在以及相當(dāng)“硬核”的產(chǎn)品

挑戰(zhàn)一：EMI性能優(yōu)化

隨著汽車(chē)中電子化密度逐年增加，對(duì)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容性（EMC）提出了更高的要求，因?yàn)楫?dāng)所有元器件集成到同一系統(tǒng)時(shí)，必須要確保即便是面臨著嘈雜的環(huán)境，各個(gè)子系統(tǒng)仍需按照預(yù)期正常工作。而CAN所面臨的重大挑戰(zhàn)之一，就是共模噪聲所引起的傳導(dǎo)輻射超標(biāo)。

理想情況下，CAN使用差分鏈路傳輸可以有效防止外部噪聲耦合。但實(shí)際應(yīng)用中，CAN收發(fā)器并非是理想的，即便是CANH和CANL存在極細(xì)微的不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)，從而導(dǎo)致CAN的共模分量（也就是CANH和CANL的平均值）不再是一個(gè)恒定的直流分量，而是變成與數(shù)據(jù)相關(guān)的噪聲。有兩種不平衡會(huì)導(dǎo)致這種噪聲：一種是穩(wěn)態(tài)共模電平在顯性和隱性狀態(tài)下的不匹配引起的低頻噪聲，這種噪聲模式頻率范圍很廣，表現(xiàn)為一系列均勻間隔的離散譜線；另一種則是CANH和CANL在顯隱性之間轉(zhuǎn)換時(shí)存在時(shí)間差而引起的高頻噪聲，由數(shù)據(jù)邊沿躍遷產(chǎn)生的短脈沖和干擾組成。下圖1則是典型的CAN收發(fā)器輸出共模噪聲的例子。黑色（通道1）為CANH，紫色（通道2）為CANL，綠色則表示CANH和CANL的總和，其值等于在給定時(shí)間點(diǎn)上共模電壓的兩倍。

圖- 1 典型的CAN收發(fā)器CANH/CANL的輸出和共模噪聲

由于共模信號(hào)可以通過(guò)輻射或傳導(dǎo)耦合到系統(tǒng)的其他組件上，所以這種共模噪聲將會(huì)直接影響電磁干擾的性能。根據(jù)(IBEE) Zwickau測(cè)量得到的傳導(dǎo)輻射干擾結(jié)果一般會(huì)與OEM的限制線一同繪制，如圖2所示。

圖- 2 典型的CAN收發(fā)器的傳導(dǎo)干擾

在圖2中，收發(fā)器的傳導(dǎo)干擾在低頻和高頻區(qū)域都超過(guò)了OEM要求。為了降低排放，通常會(huì)加入共模扼流圈進(jìn)行外部濾波。雖然加入共模扼流圈可以有效降低排放，但卻會(huì)帶來(lái)其他的問(wèn)題。

首先最明顯的缺點(diǎn)是在增加了PCB的面積以及器件成本；其次扼流圈引入的串聯(lián)電感與CAN總線的寄生電容會(huì)產(chǎn)生諧振，從而導(dǎo)致諧振頻率處噪聲增加。圖3即為扼流圈電感引起的共模噪聲。這種窄帶噪聲特別難控制，因?yàn)槎罅魅﹄姼泻涂偩€寄生電容因系統(tǒng)而異；還有就是扼流圈電感會(huì)增加總線上高瞬態(tài)電壓的風(fēng)險(xiǎn)。電源或電池短路等故障條件會(huì)導(dǎo)致共模電流的突變。這既發(fā)生在短路、連接/斷開(kāi)的時(shí)候，也會(huì)發(fā)生在顯性和隱性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候。當(dāng)流過(guò)扼流圈電感的電流迅速變化時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電路的CAN端也會(huì)產(chǎn)生很大的電壓。在某些情況下，該電壓可能超過(guò)CAN收發(fā)器的瞬態(tài)過(guò)電壓處理能力，并導(dǎo)致永久性損壞。

圖- 3 扼流圈電感引起的共模噪聲

如果我們既要達(dá)到減少排放的目的，又希望避免扼流圈帶來(lái)的眾多缺點(diǎn)，不妨考慮一下另一種解決方案：減少CAN驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的共模噪聲輸出。這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是需要半導(dǎo)體制造商的精心設(shè)計(jì)。在隱性和顯性狀態(tài)下，需要嚴(yán)格控制CANH和CANL電壓水平，以確保CAN總線波形盡可能保持平衡；此外，在顯隱性之間過(guò)渡時(shí)，需要匹配好CANH和CANL線之間的過(guò)渡時(shí)間和時(shí)間偏差，以限制高頻段的共模噪聲。TI的TCAN1042-Q1 CAN收發(fā)器的瞬態(tài)波形如圖4所示，圖5是相應(yīng)的傳導(dǎo)干擾排放。

圖- 4 CANH/CANL輸出和共模噪聲

圖- 5 汽車(chē)故障保護(hù)CAN總線的傳導(dǎo)排放

由圖4、圖5可以看出TCAN1042-Q1輸出級(jí)匹配良好，輸出共模噪聲非常低。即便不用外部的共模濾波組件，輻射排放性能也能符合OEM的要求。雖然共模扼流圈廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，但對(duì)于新的高性能CAN收發(fā)器，并不需要配備扼流圈。減去扼流圈使CAN總線實(shí)現(xiàn)更小的PCB面積、更低的BOOM成本，同時(shí)避免了電路諧振和感應(yīng)電壓峰值等問(wèn)題。

挑戰(zhàn)二： 低功耗模式的需求

當(dāng)汽車(chē)的電子元件增加時(shí)，電量的消耗當(dāng)然也會(huì)增加。由于汽車(chē)是在有限的電池供電下運(yùn)行的，如何能夠達(dá)到添加更多功能的同時(shí)又不會(huì)過(guò)多增加電池的消耗？答案是低功耗模式！

在低功耗模式下，器件允許切掉部分系統(tǒng)以減少消耗，從而避免每個(gè)子系統(tǒng)都處于全功率模式，使得響應(yīng)時(shí)間變慢。這可以通過(guò)改變系統(tǒng)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。CAN收發(fā)器傳送來(lái)自總線的消息，通過(guò)發(fā)出進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)的命令來(lái)指示何時(shí)不需要功能，直到需要時(shí)再將其喚醒。然后，CAN將消息傳遞到各自的控制器-通常是MCU，指示MCU將系統(tǒng)置于低功耗狀態(tài)。如果是使用更先進(jìn)的收發(fā)器和基于系統(tǒng)的芯片（SBC），通過(guò)一顆器件即可處理此過(guò)程的多種功能（轉(zhuǎn)換為低功耗狀態(tài)或喚醒）。

Tl的CAN收發(fā)器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這些因素，從而可以實(shí)現(xiàn)正常待機(jī)、靜音和睡眠模式。所有這些模式均允許系統(tǒng)以節(jié)能的方式運(yùn)行。TI CAN收發(fā)器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中都提供了功耗值。如下圖6為T(mén)CAN1042-Q1，該器件支持帶有總線喚醒功能的低功耗待機(jī)模式（standby）。待機(jī)模式電流為uA 級(jí)別。

圖- 6 TCAN1042-Q1 數(shù)據(jù)手冊(cè)的功耗情況

當(dāng)然，CAN收發(fā)器所面臨的挑戰(zhàn)還有很多，比如速率、延時(shí)、ESD保護(hù)、耐壓等等。由于篇幅問(wèn)題就不一一展開(kāi)。

助力于T-BOX的TCAN1042-Q1

作為汽車(chē)應(yīng)用的新熱點(diǎn)T-BOX，需要通過(guò)CAN采集車(chē)輛的位置、車(chē)況、軌跡等多種信息。而TI的明星產(chǎn)品TCAN1042-Q1符合 ISO1189-2 高速 CAN物理層標(biāo)準(zhǔn)，滿足T-BOX應(yīng)用的基本要求，其特點(diǎn)列舉如下：

不需要共模扼流圈，EMI性能良好；

具備低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求特性；

標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為2Mbps，CAN FD 傳輸速率可達(dá)5Mbps；

總線故障保護(hù)耐壓有±58V、±70V兩個(gè)版本以滿足不同的系統(tǒng)需求；

IEC-ESD性能良好，滿足±15kV IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需外置TVS管；

超短的環(huán)路延時(shí)，僅為175 ns；

更好的熱性能。

TCAN1042-Q1有多個(gè)版本，區(qū)別以后綴標(biāo)明：

“H”：帶H---BUS FAULT PROTECTION達(dá)±70V；不帶H---BUS FAULT PROTECTION達(dá)±58V；

“G”：帶G---5Mbps；不帶G---2Mbps；

“V”：帶V---集成3V電平偏移（VIO）；不帶V---沒(méi)有集成3V電平偏移（VIO）。

事實(shí)上，除了TCAN1042-Q1，TI還有更多相關(guān)的CAN產(chǎn)品供大家挑選，其芯片內(nèi)部簡(jiǎn)圖以及區(qū)別也已列舉如下表1所示。

表- 1 TI的CAN收發(fā)器對(duì)比

需要注明的一點(diǎn)是，車(chē)規(guī)級(jí)的TCAN1042-Q1 / TCAN1043-Q1 / TCAN1044-Q1 / TCAN4550-Q1都是屬于TI的通用器件 (Standard Product)，其性價(jià)比以及交期都是相當(dāng)不錯(cuò)。

表- 2 TI汽車(chē)級(jí)通用接口

綜上所述，TI的多種CAN接口芯片（如TCAN1042-Q1）可滿足汽車(chē)應(yīng)用如T-BOX中低電磁干擾的、低功耗、ESD性能優(yōu)良、高耐壓、低成本、高性價(jià)比等眾多要求，是相當(dāng)“硬核”的CAN收發(fā)器！

審核編輯：郭婷