虹科干貨 車規(guī)級(jí)CAN XL的電磁兼容性能研究

摘要

近年來(lái)，由于一些眾所周知的原因（如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)，ADAS），車輛中集成了越來(lái)越快的數(shù)據(jù)連接。因此，CAN總線也在不斷發(fā)展，從CAN到CAN FD、CAN SIC，再到目前的CAN XL。本文展示了當(dāng)前在車輛中進(jìn)行電磁兼容性（EMC）研究的狀況，比較了不同集成電路（IC）的實(shí)現(xiàn)方式及其在車輛中的抗干擾性和干擾發(fā)射方面的EMC特性。

01. 車輛中的電磁兼容性

電子系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）是指在其電磁環(huán)境中能夠正常工作，且不會(huì)相互干擾或受到干擾的能力[1]。這意味著電子系統(tǒng)必須具有較高的抗干擾能力，同時(shí)電磁發(fā)射要低。 在這種情況下，系統(tǒng)就是CAN XL的物理層，即收發(fā)器(TRX)、共模扼流圈 (CMC)、可能的外部 ESD 抑制設(shè)備、電纜和相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電磁環(huán)境在很大程度上由車輛決定。

除了法律要求外，符合車輛中的EMC要求（包括發(fā)射和抗干擾能力）也是各種客戶功能的質(zhì)量的一個(gè)基本特征。

隨著車輛中網(wǎng)絡(luò)化水平的提高[2]，以及每一種新的總線技術(shù)和每一個(gè)新的電子控制單元（ECU）的引入，電氣系統(tǒng)的電磁發(fā)射和抗干擾能力的EMC要求也在增加。

在引入新的總線系統(tǒng)（如CAN XL）時(shí)，通常會(huì)循環(huán)經(jīng)歷EMC開(kāi)發(fā)的3個(gè)典型階段，以便從研究結(jié)果中推導(dǎo)出對(duì)總線系統(tǒng)的要求[3]。

CAN XL接口的基本研究和優(yōu)化是在半導(dǎo)體級(jí)別（IC級(jí)別）進(jìn)行的。而網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、電纜材料、連接器、引腳分配和組裝則在控制單元級(jí)別（ECU級(jí)別）進(jìn)行研究。在汽車級(jí)別（車輛級(jí)別），需要在不同的車輛中測(cè)試不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與IC和ECU級(jí)別的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。

研究的目的是提前評(píng)估新聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)EMC的影響。

基于車輛中的EMC行為表現(xiàn)，推導(dǎo)出半導(dǎo)體和車載電氣系統(tǒng)的限值和要求以及測(cè)試條件，以確保其順利集成到車輛中。

在接下來(lái)的章節(jié)中，將展示車輛測(cè)量結(jié)果的示例，并對(duì)IC測(cè)量結(jié)果進(jìn)行初步展望。

每次測(cè)量中，收發(fā)器被隨意命名為A型、D型、E型等，因此無(wú)法通過(guò)這些名稱判斷收發(fā)器的整體性能。

02. CAN XL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于描述車輛CAN XL網(wǎng)絡(luò)的EMC行為表現(xiàn)。它們基于之前的用于5 Mbit/s CAN FD研究的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此之上針對(duì)CAN XL進(jìn)行了調(diào)整[CS]。

CAN XL網(wǎng)絡(luò)分為前部鏈路（鏈路1）和后部鏈路（鏈路2），以便檢查車輛特定的影響因素，如磁場(chǎng)暴露影響或ECU相對(duì)于天線的位置。鏈路1和鏈路2相互連接，形成一個(gè)「最壞情況」的鏈路（鏈路3）。ECU的位置和總線電纜的布線沒(méi)有變化，只是增加了一條額外的電纜來(lái)連接兩個(gè)星點(diǎn)。

鏈路3不符合任何預(yù)期的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)規(guī)則，但可用于探索CAN XL的極限。同時(shí)為了確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的依賴性，還增加了一種名為「菊花鏈」的總線結(jié)構(gòu)（鏈路4）用以測(cè)試。

圖1：EMC驗(yàn)證的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)安裝在不同的組別的車輛中，以驗(yàn)證不同電磁環(huán)境條件下的EMC特性。電子控制單元配備了具有以160MHz時(shí)鐘運(yùn)行的Bosch CAN XL IP核的FPGA。各種收發(fā)器都連接到FPGA。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)未屏蔽的100 Ω雙絞線電纜進(jìn)行，這種電纜也可用于FlexRay。

03. 抗射頻干擾能力

其抗干擾能力的頻率范圍為100 kHz至3 GHz?；谥暗难芯拷Y(jié)果，以下僅展示不高于220 MHz的結(jié)果。表1總結(jié)了5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗擾度測(cè)試結(jié)果，表2總結(jié)了10或12.3 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測(cè)試結(jié)果。圖2展示了一個(gè)失效曲線的示例，評(píng)估就是基于此。即使與限值線的微小偏差也被視為「失敗」。

表1：5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測(cè)試結(jié)果

表2：10或12.3 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測(cè)試結(jié)果

圖2：射頻抗干擾測(cè)量中的故障曲線示例

對(duì)于高達(dá)12.3 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，可以觀察到故障與窄帶故障有關(guān)。這些故障的數(shù)量和故障閾值取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和收發(fā)器的選擇。為了進(jìn)一步分析EMC影響因素并創(chuàng)建更多的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，某些收發(fā)器在選定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中以20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。不過(guò)需要注意的是，這些收發(fā)器均未最終開(kāi)發(fā)完畢也不適用于如此高的數(shù)據(jù)速率測(cè)試。結(jié)果總結(jié)在表3中。

所使用的CAN XL收發(fā)器在抗干擾性方面表現(xiàn)明顯不同。一種收發(fā)器會(huì)出現(xiàn)小的窄帶故障（圖 3），而其他收發(fā)器則會(huì)出現(xiàn)明顯的寬帶故障（見(jiàn)圖 4）。

表3：20Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測(cè)試結(jié)果

圖3：20 Mbit/s抗干擾測(cè)量中的窄帶故障

20 Mbit/s抗干擾測(cè)量中的寬帶故障

在高達(dá)12.3 Mbit/s的數(shù)據(jù)測(cè)試速率，評(píng)估其結(jié)果表明，當(dāng)前的CAN XL測(cè)試集成電路IC已經(jīng)具有較高的抗擾度。即使在最壞情況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（鏈路3）中，也有一些收發(fā)器在最大場(chǎng)暴露下沒(méi)有顯示故障。

在信號(hào)完整性良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（鏈路4）中，即使在高達(dá)20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率下也沒(méi)有出現(xiàn)故障。因此，可以得出結(jié)論，一個(gè)「合適的」總線設(shè)計(jì)對(duì)抗電磁干擾能力是有促進(jìn)作用的，即使在高達(dá)20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率下也是如此。

在確定CAN XL總線的設(shè)計(jì)規(guī)則后，可將車輛測(cè)試獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)與根據(jù) IEC 62228-3[4]進(jìn)行的集成電路級(jí)測(cè)試的DPI抗擾度結(jié)果進(jìn)行比較。

根據(jù)結(jié)果將確定抗干擾能力的極限值。這包括，例如，確定總線的不對(duì)稱度或用于測(cè)試的總線濾波器。

04. 射頻干擾發(fā)射

為了測(cè)量電磁發(fā)射能力，CAN XL網(wǎng)絡(luò)也在圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中運(yùn)行。它是獨(dú)立運(yùn)行的，即車輛的其余部分已與電池?cái)嚅_(kāi)連接。

令人特別感興趣的是對(duì)車內(nèi)各種天線系統(tǒng)的干擾耦合，尤其是在FM和DAB頻段。

第一步，確定同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的射頻發(fā)射（即所有ECU使用相同類型的收發(fā)器），這有助于在各自的頻段內(nèi)比較不同的CAN XL收發(fā)器。

圖5展示了鏈路1在FM頻段中的比較，圖6展示了鏈路2的比較。

通過(guò)比較前部鏈路和后部鏈路的射頻發(fā)射測(cè)量結(jié)果（鏈路1與鏈路2），可以得出ECU以及線束布線到天線結(jié)構(gòu)的距離的影響。

圖5：不同CAN XL收發(fā)器在12 Mbit/s調(diào)頻頻段的射頻發(fā)射比較

圖6：不同CAN XL收發(fā)器在12 Mbit/s調(diào)頻頻段的射頻發(fā)射比較

鏈路1和鏈路2的發(fā)射曲線對(duì)比闡明了干擾頻譜與 ECU 位置、線束布線和天線結(jié)構(gòu)距離存在明顯的相關(guān)性。我們可以得知在所有情況下，干擾幅度都會(huì)增加3分貝至6分貝。

除了觀測(cè)到CAN XL網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)相關(guān)的寬帶輻射外，還能測(cè)量到重要的窄帶干擾（SBS）。SBS的頻率取決于所選的數(shù)據(jù)速率。此外，還可以清楚地看到各種經(jīng)過(guò)測(cè)試的CAN XL收發(fā)器在優(yōu)化射頻輻射方面所處的不同發(fā)展階段。

圖7展示了基于IEC 62228-3要求的150Ω雙絞線方法，在10 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下各種IC的電磁發(fā)射情況。

圖7：干擾輻射示例 - 150Ω方法

IC層面測(cè)量到的發(fā)射光譜與車載天線上測(cè)量到的發(fā)射光譜非常吻合。窄帶干擾也可以觀測(cè)到。集成電路和車載天線在FM和DAB波段的測(cè)量結(jié)果對(duì)比也表明，9 dBμV的限值是一個(gè)很好的折中值。

05. 總結(jié)

從截至目前的EMC研究中可以看出，CAN XL的抗射頻干擾能力已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。雖然在一些未優(yōu)化信號(hào)完整性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中觀察到了一些窄帶故障。下一步，必須定義CAN XL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則。一旦完成就可以進(jìn)一步進(jìn)行EMC研究，定義IC級(jí)別測(cè)試的射頻抗干擾要求。

干擾發(fā)射測(cè)量結(jié)果表明，不同供應(yīng)商的CAN XL收發(fā)器之間存在顯著差異。而那些違反限值的窄帶干擾則是由基頻諧波引起的。

為了得出CAN XL收發(fā)器的電磁兼容要求，我們將上述電磁兼容車輛測(cè)量結(jié)果與集成電路級(jí)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。有強(qiáng)烈跡象表明，定義的限值對(duì)于其他通信設(shè)備的也是符合要求的。

參考文獻(xiàn)

[1] Richtlinie 2014/30/EU des Europ?ischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014zur Harmonisierungder Rechtsvorschriften derMitgliedstaaten überdieelektromagnetische Vertr?glichkeit

[2] Schanze ,Carsten; Future of CAN from the prospective of an OEM; Key Note iCC 2020

[3] Dr.-Ing. K?rber, B., Dipl.-Ing Welzel, S., Dipl.- Ing. Winderlich, T., Dr.-Ing. Diaz-Ortega, L.; ?Auswirkungen der Unsymmetrie von Kabeln und passiven Bauteilen auf die EMV der Busschnittstelle am Beispiel von Ethernet für KfzAnwendungen「; emv Düsseldorf 2014

[4] IEC 62228-3 Integrated circuits – EMC evaluation of transceiver – Part 3: CAN transceiver

文章來(lái)源

本文基于Frank Schade（大眾汽車集團(tuán)技術(shù)專家）和Bernd K?rber（茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)研究與技術(shù)轉(zhuǎn)移中心技術(shù)專家）在第18屆國(guó)際CAN大會(huì)（iCC）的演講。已刊于《第18屆iCC會(huì)議論文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互聯(lián)團(tuán)隊(duì)翻譯并分享，旨在與行業(yè)同仁共享前沿技術(shù)成果

審核編輯 黃宇