如何解决车载CAN到CAN FD的升级困扰

电子发烧友网报道（文/李宁远）在汽车通信网络里，CAN BUS指的是车载多路通信系统，其目的是简化车辆线束并加快通信速度。CAN BUS会允许将多个设备（ECU）连接到一条通信线路并彼此交换数据，根据协议和通信速度的不同分为CAN和CAN FD系统。CAN的通信速度在500Kbps，CAN FD最高可以达到8Mbps。
 
两种系统均使用屏蔽双绞线通信，均为差动电压。在数据长度上CAN只能在1至8Byte变化，而CAN FD的数据长度能在1至64Byte可变。上面说到CAN BUS会允许将多个设备连接到一条通信线路并彼此交换数据，一般有P2P连接、总线式连接和星状式连接三种拓扑结构（以太网和LVDS仅支持P2P连接）。在实际的车辆中，通常是上述三种连接方法混合组成一个车载网络。
 
车载CAN向CAN FD升级带来哪些困扰
 
随着CAN向CAN FD协议的升级，一些问题开始浮现出来。第一个问题是高速化会引起谐振现象，导致了错误判断的可能性增加；第二个问题是电磁辐射频段向高频转移，使得EMC应对变得更困难。
 

 
（谐振现象的影响，TDK）

 
可以看出，在8Mbps的CAN FD下，谐振现象是最严重的，会影响对显性和隐性区域的判断。500Kbps速率下可以保证谐振现象收束后有足够的反应时间，但若缩短1bit时间，则ECU错误率会明显上升。引起谐振现象的原因主要有两点，一是CAN线束分支点引起的反射（拓扑设计）、一是从ECU到线束在内的漏感和寄生电容。
 
要解决谐振现象，一是从设计上考虑，一是从共模滤波器上尽可能减少漏感和寄生电容。
 
共模滤波器如何解决谐振问题
 
CAN FD应用的共模滤波器的模式转换特性，也就是对应的Ssd21参数是极为重要的。业界最高水平的模式转换特性是通过包含绕组工艺的独有结构设计，使泄漏电感、寄生电容、模式转换特性最小化，针对比以往更容易受到谐振影响的CAN-FD应用进行了优化。
 
为了实现良好的Stray C对应CAN FD的要求，共模滤波器最好能覆盖很广的温度范围（-40℃至150℃）。共模滤波器的可靠性也是保证良好谐振的前提，一般会采用金属端子以及激光焊接的继线方式来提高器件的可靠性。这相比市场上较为传统的铆接方式可靠性等级提升了几个层次。
 

 
（是否添加共模滤波器的辐射EMI数据比较，TDK）

 
在不加共模滤波器的情况下，对于数据尖刺的抑制效果明显比添加后的效果差很多。在辐射抑制得如此好的情况下，差分信号是否会受到影响，抑制到数据传输呢？答案是并不会，加入共模滤波器后差分信号波形与之前相比并不会发生劣化，不必担心抑制效果会扩散到信号传输上。
 
另外如果传输速率很快，为了避免数据丢失或失真，共模滤波器本身会满足相应的插损/回损要求，更详细的应对办法还是要看在PCB上的设计情况。
 
CAN BUS ESD如何应对
 
之前在讨论ESD的文章中，我们说过了ESD抑制器和TVS二极管，是解决ESD防护和浪涌保护的有效手段。在车载通信网络中，压敏电阻与陶瓷片式电容器同样是保护功能出色的保护器件。
 
压敏电阻有碳化硅压敏电阻和氧化锌压敏电阻，氧化锌更为常见，很多厂商都以氧化锌为基础材料。高ESD耐量是保护器件最重要的特性之一。在经过多次电压测试后，不同的压敏电阻会有不同的电压变化，优异的高ESD耐量压敏电阻在测试中会几乎没有变化。

 
（压敏电阻ESD耐量测试，TDK）

 
如何选择合适的压敏电阻并不算复杂，首先确保额定电压要略低于压敏电阻的击穿电压，再一点就是静电容量。一般来说当压敏电阻电压相同时，静电容量越大，静电吸收能力以及耐久性越好。但是不能忽视的是在选择时需要考虑到对应的通讯速度，不能一味选择大静电容量以至于影响到通讯速度。
 
另一点比较引人关注的问题是，在CAN BUS中，压敏电阻会不会比TVS二极管响应得更慢。这个问题其实不必担心，两类器件在ESD钳位电压上性能都是相似的，而且两种不同保护器件的抑制效果都会出现在1ns之前。不同于压敏电阻的地方在于，单一方向的TVS因为击穿电压很低，会把差分电压一起吸收掉，产生通信误差。压敏电阻则不会影响差分电压。
 
小结
 
在汽车各种控制系统的电子设备中，为了实现更大数据量的高速通信，CAN通信系统的通信速度开始进一步提高。在通信速度加快的互联时代，高性能的电子元件给予了系统高通信速度下足够的可靠性。