CAN FD應(yīng)用的共模濾波器如何解決諧振問題

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))在汽車通信網(wǎng)絡(luò)里，CAN BUS指的是車載多路通信系統(tǒng)，其目的是簡化車輛線束并加快通信速度。CAN BUS會(huì)允許將多個(gè)設(shè)備(ECU)連接到一條通信線路并彼此交換數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議和通信速度的不同分為CAN和CAN FD系統(tǒng)。CAN的通信速度在500Kbps，CAN FD最高可以達(dá)到8Mbps。

兩種系統(tǒng)均使用屏蔽雙絞線通信，均為差動(dòng)電壓。在數(shù)據(jù)長度上CAN只能在1至8Byte變化，而CAN FD的數(shù)據(jù)長度能在1至64Byte可變。上面說到CAN BUS會(huì)允許將多個(gè)設(shè)備連接到一條通信線路并彼此交換數(shù)據(jù)，一般有P2P連接、總線式連接和星狀式連接三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(以太網(wǎng)和LVDS僅支持P2P連接)。在實(shí)際的車輛中，通常是上述三種連接方法混合組成一個(gè)車載網(wǎng)絡(luò)。

車載CAN向CAN FD升級(jí)帶來哪些困擾

隨著CAN向CAN FD協(xié)議的升級(jí)，一些問題開始浮現(xiàn)出來。第一個(gè)問題是高速化會(huì)引起諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致了錯(cuò)誤判斷的可能性增加;第二個(gè)問題是電磁輻射頻段向高頻轉(zhuǎn)移，使得EMC應(yīng)對(duì)變得更困難。

(諧振現(xiàn)象的影響，TDK)

可以看出，在8Mbps的CAN FD下，諧振現(xiàn)象是最嚴(yán)重的，會(huì)影響對(duì)顯性和隱性區(qū)域的判斷。500Kbps速率下可以保證諧振現(xiàn)象收束后有足夠的反應(yīng)時(shí)間，但若縮短1bit時(shí)間，則ECU錯(cuò)誤率會(huì)明顯上升。引起諧振現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)，一是CAN線束分支點(diǎn)引起的反射(拓?fù)湓O(shè)計(jì))、一是從ECU到線束在內(nèi)的漏感和寄生電容。

要解決諧振現(xiàn)象，一是從設(shè)計(jì)上考慮，一是從共模濾波器上盡可能減少漏感和寄生電容。

共模濾波器如何解決諧振問題

CAN FD應(yīng)用的共模濾波器的模式轉(zhuǎn)換特性，也就是對(duì)應(yīng)的Ssd21參數(shù)是極為重要的。業(yè)界最高水平的模式轉(zhuǎn)換特性是通過包含繞組工藝的獨(dú)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使泄漏電感、寄生電容、模式轉(zhuǎn)換特性最小化，針對(duì)比以往更容易受到諧振影響的CAN-FD應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

為了實(shí)現(xiàn)良好的Stray C對(duì)應(yīng)CAN FD的要求，共模濾波器最好能覆蓋很廣的溫度范圍(-40℃至150℃)。共模濾波器的可靠性也是保證良好諧振的前提，一般會(huì)采用金屬端子以及激光焊接的繼線方式來提高器件的可靠性。這相比市場上較為傳統(tǒng)的鉚接方式可靠性等級(jí)提升了幾個(gè)層次。

(是否添加共模濾波器的輻射EMI數(shù)據(jù)比較，TDK)

在不加共模濾波器的情況下，對(duì)于數(shù)據(jù)尖刺的抑制效果明顯比添加后的效果差很多。在輻射抑制得如此好的情況下，差分信號(hào)是否會(huì)受到影響，抑制到數(shù)據(jù)傳輸呢?答案是并不會(huì)，加入共模濾波器后差分信號(hào)波形與之前相比并不會(huì)發(fā)生劣化，不必?fù)?dān)心抑制效果會(huì)擴(kuò)散到信號(hào)傳輸上。

另外如果傳輸速率很快，為了避免數(shù)據(jù)丟失或失真，共模濾波器本身會(huì)滿足相應(yīng)的插損/回?fù)p要求，更詳細(xì)的應(yīng)對(duì)辦法還是要看在PCB上的設(shè)計(jì)情況。

CAN BUS ESD如何應(yīng)對(duì)

之前在討論ESD的文章中，我們說過了ESD抑制器和TVS二極管，是解決ESD防護(hù)和浪涌保護(hù)的有效手段。在車載通信網(wǎng)絡(luò)中，壓敏電阻與陶瓷片式電容器同樣是保護(hù)功能出色的保護(hù)器件。

壓敏電阻有碳化硅壓敏電阻和氧化鋅壓敏電阻，氧化鋅更為常見，很多廠商都以氧化鋅為基礎(chǔ)材料。高ESD耐量是保護(hù)器件最重要的特性之一。在經(jīng)過多次電壓測(cè)試后，不同的壓敏電阻會(huì)有不同的電壓變化，優(yōu)異的高ESD耐量壓敏電阻在測(cè)試中會(huì)幾乎沒有變化。

(壓敏電阻ESD耐量測(cè)試，TDK)

如何選擇合適的壓敏電阻并不算復(fù)雜，首先確保額定電壓要略低于壓敏電阻的擊穿電壓，再一點(diǎn)就是靜電容量。一般來說當(dāng)壓敏電阻電壓相同時(shí)，靜電容量越大，靜電吸收能力以及耐久性越好。但是不能忽視的是在選擇時(shí)需要考慮到對(duì)應(yīng)的通訊速度，不能一味選擇大靜電容量以至于影響到通訊速度。

另一點(diǎn)比較引人關(guān)注的問題是，在CAN BUS中，壓敏電阻會(huì)不會(huì)比TVS二極管響應(yīng)得更慢。這個(gè)問題其實(shí)不必?fù)?dān)心，兩類器件在ESD鉗位電壓上性能都是相似的，而且兩種不同保護(hù)器件的抑制效果都會(huì)出現(xiàn)在1ns之前。不同于壓敏電阻的地方在于，單一方向的TVS因?yàn)閾舸╇妷汉艿?，?huì)把差分電壓一起吸收掉，產(chǎn)生通信誤差。壓敏電阻則不會(huì)影響差分電壓。

小結(jié)

在汽車各種控制系統(tǒng)的電子設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)更大數(shù)據(jù)量的高速通信，CAN通信系統(tǒng)的通信速度開始進(jìn)一步提高。在通信速度加快的互聯(lián)時(shí)代，高性能的電子元件給予了系統(tǒng)高通信速度下足夠的可靠性。

原文標(biāo)題：如何解決車載CAN到CAN FD的升級(jí)困擾

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審核編輯：湯梓紅