Telematics車載終端CAN通訊收發(fā)電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)

周立夫，金曉華，劉晨曦，倪如金，劉祎

（1.德賽西威汽車電子公司前期研發(fā)部南京分部，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

Telematics車載終端CAN通訊收發(fā)電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)

周立夫1，金曉華2，劉晨曦1，倪如金1，劉祎1

（1.德賽西威汽車電子公司前期研發(fā)部南京分部，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。如今，在汽車電子領(lǐng)域，CAN總線的應(yīng)用越來越普及。文章主要以恩智浦公司高速CAN收發(fā)器TJA1043系列為對(duì)象，在介紹其基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用TJA1043作為CAN收發(fā)器設(shè)計(jì)了一款車載Telematics終端盒CAN通訊模塊，并重點(diǎn)介紹CAN收發(fā)電路在硬件和PCB方面的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

TJA1043；TBOX；CAN總線；收發(fā)器；電磁兼容性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.028

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-80-04

引言

CAN-bus（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出通訊過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。在信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN-bus仍可提供高達(dá)50kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN通訊總線具有這些特性，它被廣泛應(yīng)用在交通、國防、工程、機(jī)械、紡織、數(shù)控、醫(yī)療，機(jī)器人等領(lǐng)域。

近年來，Telematics（即車聯(lián)網(wǎng)）在車身上的應(yīng)用越來越普遍，在Telematics終端盒（Telematics BOX，下文縮寫為TBOX）項(xiàng)目應(yīng)用中，TBOX通過CAN總線通訊，獲得車身內(nèi)數(shù)據(jù)（比如油量、速度、方向盤轉(zhuǎn)角等），再通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，以便進(jìn)一步加工處理，如遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控等功能。同時(shí)TBOX也可以通過CAN總線，按照預(yù)定協(xié)議，執(zhí)行控制動(dòng)作，如開/關(guān)車窗和空調(diào)、遠(yuǎn)程升級(jí)車身上一些ECU（Electrical Control Unit）的固件等。由此可見，在TBOX項(xiàng)目中，CAN總線成為了TBOX和車身內(nèi)各控制單元之間溝通的重要橋梁。

CAN收發(fā)器是控制器局域網(wǎng)中協(xié)議控制器和CAN物理總線之間的接口，恩智浦（NXP）公司早期的高速CAN收發(fā)器主要是TJA1040和TJA1041，相比TJA1040，TJA1041增加了一種工作模式，即睡眠（Sleep）模式，能滿足更苛刻的靜態(tài)電流設(shè)計(jì)要求。后來，在 TJA1041的基礎(chǔ)上，NXP又推出一款升級(jí)的芯片，即TJA1043，該芯片在TJA1041基礎(chǔ)上優(yōu)化了EMC（ElectroMagnetic Compatibility）以及ESD（ElectroMagnetic Discharge）性能，具有更低的功率損耗，允許當(dāng)車身點(diǎn)火信號(hào)關(guān)閉時(shí)，使CAN總線仍然能被喚醒的能力。在睡眠狀態(tài)時(shí)TJA1043的待機(jī)電流可低至20uA左右。能較好的應(yīng)用在對(duì)靜態(tài)電流要求較苛刻的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。TJA1043系列收發(fā)器主要用于車身內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)最高達(dá)1Mbps的CAN通訊模塊中，最多支持連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖1所示[1]。

TJA1043芯片為SO14腳封裝，其管腳定義如下表1所示。

在正常操作模式下（沒有線路故障），TBOX通過CANH和CANL與車身總線相連，經(jīng)過TJA1043之后，再轉(zhuǎn)換成RXD/TXD信號(hào)，與TBOX內(nèi)的微處理器進(jìn)行通訊。

TJA1043帶自診斷和自保護(hù)功能。如：

（1）具有診斷功能的發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）顯性超時(shí)；

（2）具有診斷功能的TXD對(duì)RXD短路處理；

（3）熱保護(hù)；

（4）VCC、VIO和VBAT 的欠壓檢測(cè)和恢復(fù)；

（5）總線線路短路診斷；

（6）總線箝位診斷；

（7）冷啟動(dòng)（首次連接電池）。

表1 TJA1043管腳定義

1、硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用

在應(yīng)用TJA1043系列收發(fā)器設(shè)計(jì)CAN通訊收發(fā)模塊時(shí)，為了得到較好的效果，在硬件設(shè)計(jì)方面，建議遵循一些基本原則，如下圖2所示。

這是采用TJA1043設(shè)計(jì)的TBOX的CAN收發(fā)器的模塊電路。在該模塊電路中，包含三路電源：KL30A（在汽車電子應(yīng)用中，即蓄電池電壓，在經(jīng)過保護(hù)處理之后的電壓）和VCC（5V供電電源）電壓和VIO（3.3V供電電源）、CANH/ CANL終端匹配電阻、EMC輔助元器件等。因篇幅所限，電路設(shè)計(jì)圖中VIO和VCC的產(chǎn)生以及兩路LDO的控制未完全體現(xiàn)該部分電路設(shè)計(jì)中，圖中僅以方框表示，以下將介紹各電路元器件參數(shù)選擇及應(yīng)用考慮事項(xiàng)等。

1.1終端匹配電阻阻值計(jì)算

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需在CANH和CANL上加終端電阻，如圖2TJA1043應(yīng)用于TBOX終端中的模塊電路所示的R106、R107、R106+R107電阻的配置值須符合SAE J2284-3[2]的規(guī)定，即兩電阻的名義值須在60Ω～62Ω之間。同時(shí)，當(dāng)CANH或CANL一旦與車身電池電壓之間發(fā)生短路連接時(shí)，大電流瞬時(shí)經(jīng)過這兩個(gè)電阻，所以一般電阻封裝選用 1206封裝的電阻。

為了保證同一節(jié)點(diǎn)的CANH和CANL上差分信號(hào)的完整對(duì)稱性，需考慮匹配在同一節(jié)點(diǎn)上CANH和CANL的終端電阻的完全一致性，一般選取1%誤差的相同的電阻。

考慮總線上有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，如下圖 3[3]所示為一假設(shè) 8子節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的終端匹配電阻，這時(shí)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的終端匹配電阻典型值一般取 1.3kΩ。在圖2所設(shè)計(jì)的TBOX終端CAN通訊模塊電路中，R106，R107選取1%誤差的60.4 Ω的電阻。

1.2RBAT的選擇

在汽車TBOX的應(yīng)用中，通常將BAT管腳（芯片第14腳）直接連接到蓄電池電壓輸出端，TBOX終端中定義的電池電壓為12V（或24V），如設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要依照汽車電源暫態(tài)傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO7637-2做脈沖干擾試驗(yàn)中的脈沖5a實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)（圖4 脈沖5a波形所示為脈沖5a實(shí)驗(yàn)的波形[4]，表2脈沖5a波形參數(shù)定義為5a波形對(duì)應(yīng)的參數(shù)信息），由于高達(dá)68V的電池電壓將加在該管腳，持續(xù)時(shí)間長達(dá)幾百毫秒，而該芯片RBAT管腳能持續(xù)忍受的最大電壓僅為40V，因此，需串聯(lián)一個(gè)電阻RBAT（即圖2所示的R108）。否則，在EMC試驗(yàn)的脈沖實(shí)驗(yàn)中，CAN收發(fā)器芯片的BAT管腳將直接承受68V的電壓沖擊，瞬間產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)(latch up)，進(jìn)而燒毀芯片，一般推薦串聯(lián)一個(gè)1k～5k的電阻。同時(shí)，在靠近VBAT腳接一個(gè)10NF左右的對(duì)地的電容，見圖2所示電路中C104，C104和C108構(gòu)成一路低通濾波器，能有效改善該管腳的抗電磁干擾能力。

1.3CAN總線串聯(lián)共模電感

在EMC要求比較高場(chǎng)合中，為提高抗干擾能力，需在CANH和CANL上串聯(lián)一個(gè)共模電感，一般為10～100微亨[3,5]。共模電感是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，原理是流過共模電流時(shí)，磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用，而當(dāng)兩線圈中流過差模電流時(shí)，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中 能有效地抑制共模干擾信號(hào)，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無影響。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，基于成本考慮，可用兩個(gè)零歐姆電阻替代共模電感；EMC實(shí)驗(yàn)過程中，如果發(fā)現(xiàn) CAN受到干擾，測(cè)試項(xiàng)不通過時(shí)，再將零歐姆電阻改用共模電感替代做測(cè)試，以改善該模塊的EMC效果。

表2 脈沖5a波形參數(shù)定義

1.4基于ESD考慮的一些輔助器件

TJA1043內(nèi)部集成了ESD (Electrostatic Discharge)保護(hù)電路，該芯片具有2KV的ESD保護(hù)能力。將該芯片應(yīng)用于電路板上，由于額外的因走線及連接器產(chǎn)生的等效容性負(fù)載，ESD效果相對(duì)較好；但是在 ESD要求更高的場(chǎng)合，如汽車電子中應(yīng)用中，按照 ISO10605標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)接觸放電要求4KV或以上時(shí)，需額外增加一些輔助 ESD元器件，如圖 2所示電路中的C101、C102以及D101和D102等。

一般考慮C101=C102，取100pF～330pF；D101和D102為齊納二極管，考慮選取其飽和壓降需大于最大總線直流電壓，通常取小于（或等于）27V的齊納二極管或壓敏電阻。

1.5本地喚醒腳電路設(shè)計(jì)

所以，算出R109.min阻值約為2.67KΩ，圖2中設(shè)計(jì)取值為3.3KΩ。

圖2中R110目的是為了保證在沒有本地激活信號(hào)（即圖2所示電路中Q102不導(dǎo)通）時(shí)，WAKE腳信號(hào)必須保證是高電平，即滿足：

算出：

在圖2TJA1043應(yīng)用于TBOX終端中的模塊電路設(shè)計(jì)中，R110取值為47KΩ。

1.6PCB設(shè)計(jì)考慮

在進(jìn)行 PCB布線時(shí)，考慮到電磁抗干擾性要求，對(duì)于CAN通訊模塊要注意以下幾點(diǎn)：

（1）將收發(fā)器模塊靠近CAN控制器放置，使RXD/TXD走線盡可能短；

（2）CANH和CANL走線長度保持一致，布線時(shí)，設(shè)置成差分線模式，兩根線之間間距保持一致，且線間不能插入地線；

（3）如電路中添加了共模電感，則電路中電壓尖峰抑制模塊（如圖2 TJA1043應(yīng)用于TBOX終端中的模塊電路所示Z1、Z2和Z3）放置在收發(fā)器和共模電感之間，確保能抑制當(dāng)總線故障時(shí)，由于共模電感的電感效應(yīng)所產(chǎn)生的尖峰暫態(tài)脈沖[5]；

（4）ESD保護(hù)器件（如圖2TJA1043應(yīng)用于TBOX終端中的模塊電路所示C3和C4）盡量放在靠近CANH/CANL差分信號(hào)輸入/輸出位置，確保外部感應(yīng)的的 ESD能量在第一時(shí)間被過濾掉；

（5）去耦電容（如圖2TJA1043應(yīng)用于TBOX終端中的模塊電路所示C1和C2）靠近收發(fā)器電源管腳；

（6）PCB走線設(shè)計(jì)時(shí)，確保地回路盡可能粗且短。

2、軟件操作模式

TJA1043 CAN收發(fā)器具備五種工作模式，分別是監(jiān)聽模式、正常工作模式、低功耗模式、進(jìn)入休眠狀態(tài)以及休眠模式。通過設(shè)置芯片管腳/STB和EN管腳的不同狀態(tài)組合進(jìn)入或退出各工作模式[1]，下圖5為各模式切換的狀態(tài)圖。

相比常規(guī)CAN收發(fā)器，TJA1043多了休眠模式，在此工作模式下，芯片管腳INH切換到高阻抗?fàn)顟B(tài)，釋放外部電壓調(diào)節(jié)器，關(guān)斷VIO和VCC。此時(shí)芯片消耗的電流低至幾微安，且?guī)нh(yuǎn)程CAN消息喚醒功能。

3、結(jié)論

具備自診斷功能的高速CAN收發(fā)器TJA1043，因其較好的電磁抗干擾能力，極低的靜態(tài)待機(jī)功耗，使其在汽車電子領(lǐng)域的高速CAN總線設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。本文總結(jié)了使用該芯片設(shè)計(jì)車載Telematic終端盒的CAN通訊收發(fā)模塊過程中，關(guān)于電磁抗干擾方面一些心得體會(huì)及注意事項(xiàng)，在使用該芯片設(shè)計(jì)CAN通訊模塊時(shí)，遵循上述設(shè)計(jì)原則，將有助于獲得較好的CAN通訊和EMC效果。

[1] TJA1043 High-speed CAN transceiver,Rev.00.06-29 June 2009.

[2] SAE J2284-3 2002 High Speed CAN(HSC) for Vehicle Applications at 500kbps.

[3] TR1014 Application Hints-Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051.

[4] International standard, 7637-2:2004[E].

[5] "Common Mode Chokes in CAN Networks", Source of Unexpected Transients. Texax Instruments. Application Report, SLLA271-Janu -ary 2008.

[6] International standard, 11898-3:2003[E].

[7] ISO10605 Road Vehicle-Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge.

The EMC Design of Transceiver Module for CAN Communication in an Automotive Telematics BOX

Zhou Lifu1, Jin Xiaohua2, Liu Chenxi1, Ni Rujin1, Liu Yi1
(1.Nanjing Center, Advanced Development Central Technology, Desay SV Automotive Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211100; 2.School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Jiangsu Nanjing 211100)

CAN bus (Controller Area Network) is one of the most popular application field buses in the world, and today it is widely used in automotive engineering field. The structure and its metrits for fault-tolerant transceiver series named TJA1043 which is developed by NXP Corporation is introduced in this paper, and some application notes especially from hardware aspect and EMC consideration are also referred, furthermore, a CAN transceiver module which developed using TJA1043 has been implemented in an automotive Telematics control unit.

TJA1043; TBOX; CAN bus; Transceiver; EMC

U467.4

A

1671-7988（2015）09-80-04

周立夫，就職于德賽西威汽車電子公司前期研發(fā)部南京分部。