基于汽車CAN 總線BCI 共模電壓跌落研究

曹德友， 李郎尼， 李 錢， 伍文超

（溫州長(zhǎng)江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325000）

BCI是Bulk Current Injection縮寫， 是機(jī)動(dòng)車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測(cè)量方法。 一般汽車電子主機(jī)廠會(huì)要求在BCI注入時(shí)測(cè)試兩種不同的波形， 分別是連續(xù)波 （CW） 與調(diào)制幅度為80%的調(diào)制波 （AM） 來模擬環(huán)境對(duì)汽車電子電器組件的干擾。

TVS管 （Transient Voltage Suppressor） 是一種常見的浪涌抑制元件， 它具有響應(yīng)時(shí)間快、 瞬態(tài)功率大、 漏電流低、擊穿電壓偏差小及鉗位電壓容易控制等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 TVS管進(jìn)行浪涌抑制的原理是當(dāng)它受到反向高能量沖擊時(shí)， 它能以極快的速度 （可達(dá)10~12s級(jí)）， 將其兩極間的阻抗由高變低， 使兩極間的電壓鉗位于可接受的范圍， 從而有效保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。

1 CAN總線共模電壓跌落現(xiàn)象

在BCI測(cè)試實(shí)驗(yàn)中， 使用示波器測(cè)試CAN總線上的共模電壓。 在正常情況下CAN總線上輸出的共模電壓約2.39V（圖1）。 在1~30MHz頻譜掃描注入中， 共模電壓在某特定頻點(diǎn)出現(xiàn)跌落現(xiàn)象， 電壓跌至888mV （圖2）。 本研究就是針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、 模擬和仿真， 得出現(xiàn)象原因與解決方案。

圖1 正常情況下共模電壓信號(hào)2.39V

圖2 在某一頻點(diǎn)電壓跌落至888mV

2 TVS管簡(jiǎn)介

汽車電子產(chǎn)品CAN總線設(shè)計(jì)中， 我們通常使用TVS管對(duì)CAN、 LIN電路進(jìn)行保護(hù) （伏安特性如圖3所示）。 特別是PESD1CAN （適用CAN電路） 和PESD1LIN （適用LIN電路）較多。 PESD1CAN 是三端器件， 雙向雪崩電壓相同， 為27.8V； PESD1LIN是兩端器件， 雙向雪崩電壓不同， 分別為18.9V與27.8V， 器件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 雙向TVS管IV特性圖

圖4 PESD1CAN（左）和PESD1LIN結(jié)構(gòu)圖（右）

3 共模電壓跌落實(shí)驗(yàn)

第1章中提出了BCI試驗(yàn)中CAN總線共模電壓跌落問題，經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)， 最終發(fā)現(xiàn)共模電壓跌落原因是DUT（Design Under Test） 上TVS管雪崩引起。 在后續(xù)的研究中，針對(duì)TVS管引起電壓跌落的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、 仿真、 模擬和驗(yàn)證。 本章所做實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證該結(jié)論的正確性。 實(shí)驗(yàn)分組與測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)分組與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果說明， 第1組為標(biāo)準(zhǔn)CAN總線TVS管設(shè)計(jì)， 參數(shù)作為對(duì)照數(shù)據(jù)； 第2組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共模電壓依然跌落， TVS雪崩電壓為27.8V； 第3組實(shí)驗(yàn)2個(gè)PESD1CAN分別接在CAN總線上 （GND懸空）， 雪崩電壓提升至55.6V， 實(shí)驗(yàn)中未見明顯跌落現(xiàn)象； 第5組與第6組實(shí)驗(yàn)是2個(gè)PESD1LIN串聯(lián)接在CAN總線上， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)均有較為明顯的共模電壓跌落現(xiàn)象， 對(duì)比說明雪崩電壓越低，電壓跌落的現(xiàn)象越為明顯。 第4 組 與 第7 組 實(shí)驗(yàn)， TVS GND端懸空，TVS管也失去作用， 所以未見明顯跌落現(xiàn)象。

4 共模電壓跌落的仿真模擬

本章使用MATLAB的Simulink 仿真軟件建立CAN總線共模電壓跌落的仿真模擬圖， 模擬框圖見圖5， 電路原理仿真模擬圖見圖6， 其中DUT 部分主要考慮TVS管與線上電容。

圖5 CAN總線仿真模擬框圖

圖6 CAN總線電路原理仿真模擬圖

CAN總線的信號(hào)發(fā)生器原理是： 2個(gè)三極管共通共止，在2個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)， CAN總線上的負(fù)載電阻分壓獲得高低電平， 在2個(gè)三極管截止時(shí)， 此時(shí)CAN總線上維持在2.5V。圖7是本研究的仿真模擬圖， 在BCI注入為0， TVS管雪崩電壓超過線上電壓時(shí)獲得的CAN總線上正常情況下的電壓信號(hào)圖。 其中考慮電源內(nèi)阻和測(cè)量誤差情況下， CAN總線的共模電壓約為2.44V， 與本研究實(shí)驗(yàn)前測(cè)試CAN總線電壓2.39V （圖1） 實(shí)測(cè)結(jié)果大致相符， 印證仿真電路正確， 為后續(xù)測(cè)試做好鋪墊。

圖7 CAN總線的正常輸出信號(hào)圖

電路仿真模擬TVS管在雪崩情況下， CAN總線上的電壓信號(hào)改變， 模擬參數(shù)設(shè)定見表2， 仿真結(jié)果見表3。 4組分別進(jìn)行仿真模擬輸出波形圖如圖8~圖11所示。 4張圖中的CAN差模信號(hào)圖可以發(fā)現(xiàn)TVS管的崩潰不會(huì)影響到正常的信號(hào)通信。 從CAN共模信號(hào)圖可以發(fā)現(xiàn)TVS管的雪崩引起了共模電壓的跌落， 符合之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的假設(shè)。 從第1、 2組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比得出在TVS管雙向雪崩電壓相同的情況下， 雪崩電壓越小， 則CAN總線共模電壓跌落越明顯； 從第1、 3、4組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比得出結(jié)果， 在TVS管的正向雪崩而負(fù)向不雪崩情況下， CAN總線上的共模電壓跌落非常明顯， 可以跌至負(fù)電壓值。

表2 模擬仿真參數(shù)設(shè)定表格

表3 模擬仿真結(jié)果表格

圖8 第1組模擬信號(hào)圖

圖9 第2組模擬信號(hào)圖

圖10 第3組模擬信號(hào)圖

圖11 第4組模擬信號(hào)圖

5 結(jié)論

本文對(duì)EMC測(cè)試中BCI注入實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的CAN總線共模電壓跌落問題進(jìn)行研究， 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與仿真模擬驗(yàn)證， 得出在DUT的TVS管崩潰情況下出現(xiàn)CAN總線共模電壓跌落， 且在TVS管雪崩情況下， CAN總線仍能正常通信。

從研究還可以得出TVS管的雪崩電壓越小即TVS管越易雪崩， 則CAN總線上的共模電壓跌落越明顯。 在TVS管正向雪崩而負(fù)向不雪崩的情況下， CAN總線上的共模電壓跌落尤為明顯， 可至負(fù)電壓值。

在第3章的CAN總線共模電壓跌落實(shí)驗(yàn)中， 我們發(fā)現(xiàn)加大TVS管模擬電路后的EMC電容C3與C4的電容值， CAN總線上的共模電壓不再跌落。 原因是在加大電容的情況下，CAN總線上的濾波效果更好， 使得BCI注入的AC信號(hào)減弱，所以TVS管不易雪崩。

在實(shí)際汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中， 諸如通用、 大眾、上汽、 北汽、 廣汽、 特斯拉等客戶為保證整車CAN總線信號(hào)的一致性和穩(wěn)定性， 一般針對(duì)CAN物理層設(shè)計(jì)都有明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范， 我們實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行符合性檢查， 以保證產(chǎn)品符合客戶要求。