低成本高电磁兼容性的CAN收发器

如今，电子元器件在现代汽车中被广泛使用。在传统的汽车中，电子元器件成本约占车辆成本的27%。而在现今的某些高档汽车中，这一比例增加到差不多50%，在混合动力电动汽车(HEV)及纯电动汽车中此比例甚至更高。由于电子元器件数量增加，要确保不同电子控制单元(ECU)之间可靠通信，电磁兼容性设计就将变得越来越复杂(图1)。

CAN总线是汽车核心通信网络的事实标准，CAN收发器性能则是CAN网络性能的关键组成部分。安森美半导体公司开发了符合不同标准和原始设备制造商(OEM)特定要求的各种CAN收发器。

CAN通信节点的典型前端包括一个CAN收发器、一个共模扼流圈和一个ESD保护电路。图2是这类电路的一个示例(注：网络的第一个及最后一个节点也包含了带可选共模稳定的端接电阻，本文未讨论)。

图1：CAN总线中的ECU。

电路中使用共模(CM)扼流圈来改善电磁兼容性(EMC)方面的网络性能。使用共模扼流圈的主要原因是通过消除共模CAN信号中的伪差分信号(differential artifact)来降低电磁辐射(EME)。由于自身长度和遍布车身各处的缘故，CAN线缆还可充当很好的天线。

图2：典型CAN节点模块图。

共模扼流圈还有利于改善电磁敏感度(EMS)，虽然某些时候在某些频率范围内效果可能恰恰相反，可能因此而降低网络的免疫力。这主要是因为共模电感及网络电容产生了谐振电路，将额外的EMC信号耦合至线缆之中。

共模扼流圈作为感应元件由于存在电感性反激效应，将可能产生极高的瞬态电压。这种情况主要会在间歇性的对电池或对其它任何电源电压短路的条件下出现。施加在收发器引脚上的电压瞬态最大值受下述公式限制，或者由芯片中的ESD保护电路钳位。

其中，“Ilim”是CAN发射器的电流限制值，“L”是扼流圈电感，“C”是扼流圈与收发器总线引脚间的总电容。

产生的瞬态电压如果超过收发器的绝对最大额定值，则有可能产生可靠性方面的影响，在最坏情况下，还有可能导致收发器和/或网络中其它元器件完全失效。当然，这些瞬态现象对信号完整性有着明显的不利影响。

图3是对电池静态短路情况下(左图)及对地静态短路情况下(右图)的CAN总线瞬态过程示例(此波形图中，黄色对应TXD，粉红色对应特殊的CAN引脚，绿色对应RXD，紫色对应短路的CAN总线引脚)。

图3：使用共模扼流圈的CAN总线短路瞬态过程。[page]

在图4中，蓝色线条代表NCV7340D13的电磁干扰(EMI)值，青蓝色线条则代表背景噪声。在测试结果中，我们可以非常清楚地看到，在无共模扼流圈的条件下，NCV7340D13与其它某些使用共模扼流圈的CAN收发器的电磁辐射性能相当，甚至更优。

图4：NCV7340D13电磁辐射测试结果。

汽车总线网络对承受ESD脉冲而言需要具有极高的鲁棒性。主要考虑是保护电路能够经受IEC61000-4-2标准定义的脉冲。这些针对系统级测试定义的脉冲通常被简称为系统ESD，它们定义为150pF电容经330Ω电阻放电。图5所示是系统ESD测试设置图片，示波器上捕获到的CAN引脚上的电流脉冲(绿线)和电压脉冲(蓝线)细节(这些电压及电流尖峰在时域上进行了移动，以便能够更好地观察)。

图5：系统ESD测试。从左至右依次为系统ESD测试板、静电木仓测试视图和被测器件(DUT)示波器波形。

为了符合这些规范，就要使用各种ESD保护方法来保护总线。然而，外部ESD保护可能会与收发器内部的ESD保护相互影响，而降低保护效果。因此，选择适合特定收发器的恰当外部保护方案就不是那么简单直接了，而且使用这些外部保护将会带来额外成本；与之类似的是，扼流圈在某些时候将会占用相当部分的PCB布局面积。

某些情况下，使用某些外部ESD保护不仅能够用于ESD本身，还能帮助吸收耦合到信号线路的瞬态脉冲。这些脉冲源自点火和电感性负载开关等(由线束中临近线路间的串扰引入)。ISO 7637-1(12V)及ISO 7637-2(24V)规范描述了用于测试CAN系统而抑制干扰的这些脉冲。

NCV7340D13达到了±12kV以上的系统ESD等级(外部实验室的测试结果表明，在±15kV静电放电情况下，遭受应力的CAN引脚的电流/电压(I/V)特性变化小于±5%，且收发器在高达±20kV的脉冲下仍然能够工作)。

这款未增加任何外部元器件的收发器能够承受ISO78367规范定义的耦合干扰脉冲，符合所有主流汽车OEM的要求。因此，使用NCV7340D13就省下了外部ESD保护元器件。

即使施加从1MHz到1GHz完整频率范围的最高测试等级，NCV7340D13的EMS等级也极为优异，使用或未使用外部元器件都是如此。参见图6和图7可了解安森美半导体公司的EMS测量设置。根据IEC62132第4部分进行的这种设置与德国OEM使用的IBEE Zwickau EMC实验室设置相同。NCV7340D13的测试结果如图8所示。

图6：EMS测试电路图。

图7：EMS测试设置。

这种极优异的且无需任何外部元器件的EMS性能将有利于线束设计，并且能够简化整体CAN总线的网络设计。这一优异的EMS性能得益于CAN接收器的共模电压阈值高于±35V和驱动器本身具有强健的拓扑结构，此外，这还得益于安森美半导体在诸如VANA、LIN、CAN、CAN低速版及FlexRay等车载网络(IVN)收发器的设计领域拥有长期的EMC鲁棒性设计的专业技术和经验。

本文小结

CAN收发器的电磁兼容性对CAN网络的可靠性和性能非常重要。使用安森美半导体的NCV7340D13 CAN收发器，可以将CAN前端的通信节点简化为仅仅使用单个收发器。这不仅大幅降低了网络的设计成本，还因其消除了本文所论及的问题，而提升了总体方案质量。NCV7340D13已经通过了众多OEM厂商的合格认证，同时，这种新版本还将EMC性能的极限水平提升到了更高。对于新的CAN网络平台设计而言，NCV7340D13成为了一款极佳的收发器芯片。