“硬核”的CAN收发器在汽车应用中的挑战

前文谈及，在车载应用中（如T-BOX），对于高速信号的传输，PHY是冉冉升起的新星；而对于较低速信号的传输，CAN仍是必不可缺的成员。未来的T-BOX，很有可能需要将车辆的ID、油耗、里程、轨迹、车况（门窗灯、油水电、怠速等）、速度、位置、用车属性、车辆配置等都展现在车联网及移动车联网上，而这些速率要求相对较低的数据传输，靠的正是本文的主角CAN。

CAN总线由德国博世公司于上世纪80年代提出，至今已经成为了汽车中不可或缺的重要组成部分。为满足车载系统的不同要求，CAN总线又分成高速CAN和低速CAN。高速CAN主要用在对实时性要求高的动力系统的控制，如发动机、自动变速箱、组合仪表等。低速CAN主要是用在对实时性要求较低的舒适系统和车身系统的控制，如空调控制、座椅调节、车窗升降等。在本文主要谈及的是高速CAN。

虽然说CAN已经是非常成熟的技术，但是在汽车的应用中仍是面临着各种挑战。本文将会细数CAN目前面临的种种挑战，并介绍相关的应对技术。最后，还将详细介绍TI在CAN应用中的优势所在以及相当“硬核”的产品

挑战一：EMI性能优化

随着汽车中电子化密度逐年增加，对车载网络的电磁兼容性（EMC）提出了更高的要求，因为当所有元器件集成到同一系统时，必须要确保即便是面临着嘈杂的环境，各个子系统仍需按照预期正常工作。而CAN所面临的重大挑战之一，就是共模噪声所引起的传导辐射超标。

理想情况下，CAN使用差分链路传输可以有效防止外部噪声耦合。但实际应用中，CAN收发器并非是理想的，即便是CANH和CANL存在极细微的不对称，也会产生对应的差分信号，从而导致CAN的共模分量（也就是CANH和CANL的平均值）不再是一个恒定的直流分量，而是变成与数据相关的噪声。有两种不平衡会导致这种噪声：一种是稳态共模电平在显性和隐性状态下的不匹配引起的低频噪声，这种噪声模式频率范围很广，表现为一系列均匀间隔的离散谱线；另一种则是CANH和CANL在显隐性之间转换时存在时间差而引起的高频噪声，由数据边沿跃迁产生的短脉冲和干扰组成。下图1则是典型的CAN收发器输出共模噪声的例子。黑色（通道1）为CANH，紫色（通道2）为CANL，绿色则表示CANH和CANL的总和，其值等于在给定时间点上共模电压的两倍。

图- 1 典型的CAN收发器CANH/CANL的输出和共模噪声

由于共模信号可以通过辐射或传导耦合到系统的其他组件上，所以这种共模噪声将会直接影响电磁干扰的性能。根据(IBEE) Zwickau测量得到的传导辐射干扰结果一般会与OEM的限制线一同绘制，如图2所示。

图- 2 典型的CAN收发器的传导干扰

在图2中，收发器的传导干扰在低频和高频区域都超过了OEM要求。为了降低排放，通常会加入共模扼流圈进行外部滤波。虽然加入共模扼流圈可以有效降低排放，但却会带来其他的问题。

首先最明显的缺点是在增加了PCB的面积以及器件成本；其次扼流圈引入的串联电感与CAN总线的寄生电容会产生谐振，从而导致谐振频率处噪声增加。图3即为扼流圈电感引起的共模噪声。这种窄带噪声特别难控制，因为扼流圈电感和总线寄生电容因系统而异；还有就是扼流圈电感会增加总线上高瞬态电压的风险。电源或电池短路等故障条件会导致共模电流的突变。这既发生在短路、连接/断开的时候，也会发生在显性和隐性状态之间转换的时候。当流过扼流圈电感的电流迅速变化时，在驱动电路的CAN端也会产生很大的电压。在某些情况下，该电压可能超过CAN收发器的瞬态过电压处理能力，并导致永久性损坏。

图- 3 扼流圈电感引起的共模噪声

如果我们既要达到减少排放的目的，又希望避免扼流圈带来的众多缺点，不妨考虑一下另一种解决方案：减少CAN驱动导致的共模噪声输出。这听起来很简单，但是需要半导体制造商的精心设计。在隐性和显性状态下，需要严格控制CANH和CANL电压水平，以确保CAN总线波形尽可能保持平衡；此外，在显隐性之间过渡时，需要匹配好CANH和CANL线之间的过渡时间和时间偏差，以限制高频段的共模噪声。TI的TCAN1042-Q1 CAN收发器的瞬态波形如图4所示，图5是相应的传导干扰排放。

图- 4 CANH/CANL输出和共模噪声

图- 5 汽车故障保护CAN总线的传导排放

由图4、图5可以看出TCAN1042-Q1输出级匹配良好，输出共模噪声非常低。即便不用外部的共模滤波组件，辐射排放性能也能符合OEM的要求。虽然共模扼流圈广泛应用于汽车工业，但对于新的高性能CAN收发器，并不需要配备扼流圈。减去扼流圈使CAN总线实现更小的PCB面积、更低的BOOM成本，同时避免了电路谐振和感应电压峰值等问题。

挑战二： 低功耗模式的需求

当汽车的电子元件增加时，电量的消耗当然也会增加。由于汽车是在有限的电池供电下运行的，如何能够达到添加更多功能的同时又不会过多增加电池的消耗？答案是低功耗模式！

在低功耗模式下，器件允许切掉部分系统以减少消耗，从而避免每个子系统都处于全功率模式，使得响应时间变慢。这可以通过改变系统通讯来实现。CAN收发器传送来自总线的消息，通过发出进入待机状态的命令来指示何时不需要功能，直到需要时再将其唤醒。然后，CAN将消息传递到各自的控制器-通常是MCU，指示MCU将系统置于低功耗状态。如果是使用更先进的收发器和基于系统的芯片（SBC），通过一颗器件即可处理此过程的多种功能（转换为低功耗状态或唤醒）。

Tl的CAN收发器在设计时充分考虑了这些因素，从而可以实现正常待机、静音和睡眠模式。所有这些模式均允许系统以节能的方式运行。TI CAN收发器的数据手册中都提供了功耗值。如下图6为TCAN1042-Q1，该器件支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式（standby）。待机模式电流为uA 级别。

图- 6 TCAN1042-Q1 数据手册的功耗情况

当然，CAN收发器所面临的挑战还有很多，比如速率、延时、ESD保护、耐压等等。由于篇幅问题就不一一展开。

助力于T-BOX的TCAN1042-Q1

作为汽车应用的新热点T-BOX，需要通过CAN采集车辆的位置、车况、轨迹等多种信息。而TI的明星产品TCAN1042-Q1符合 ISO1189-2 高速 CAN物理层标准，满足T-BOX应用的基本要求，其特点列举如下：

不需要共模扼流圈，EMI性能良好；

具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性；

标准传输速率为2Mbps，CAN FD 传输速率可达5Mbps；

总线故障保护耐压有±58V、±70V两个版本以满足不同的系统需求；

IEC-ESD性能良好，满足±15kV IEC61000-4-2标准，无需外置TVS管；

超短的环路延时，仅为175 ns；

更好的热性能。

TCAN1042-Q1有多个版本，区别以后缀标明：

“H”：带H---BUS FAULT PROTECTION达±70V；不带H---BUS FAULT PROTECTION达±58V；

“G”：带G---5Mbps；不带G---2Mbps；

“V”：带V---集成3V电平偏移（VIO）；不带V---没有集成3V电平偏移（VIO）。

事实上，除了TCAN1042-Q1，TI还有更多相关的CAN产品供大家挑选，其芯片内部简图以及区别也已列举如下表1所示。

 

型号	芯片内部简图	区别
TCAN1042-Q1 Standard Product

	支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。 待机模式电流为uA 级别。
TCAN1051-Q1

	支持只听模式(silent)。 CAN驱动器被禁用，接收器正常，可继续将CANH和CANL的差分信号转换为RXD端子上的数字输出。 只听模式电流模式为mA级别。
TCAN1043-Q1 Standard Product

	带有唤醒和故障检测功能。 唤醒功能：除了总线唤醒外，WAKE引脚还允许CAN从本地事件中唤醒。 故障检测功能：包括多种保护和诊断功能，如线路短路检测和电池连接检测。
TCAN1044-Q1 Standard Product

	支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。 CAN FD支持高达8Mbps的数据传输速率。 I/O 电压范围扩展为1.8V 至 5V。
TCAN1046-Q1

	双通道CAN。 支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。 CAN FD支持高达8Mbps的数据传输速率。 I/O 电压范围扩展为1.8V 至 5V。
TCAN4550-Q1 Standard Product

SBC (System Basic Chip) ，集成 CAN FD 收发器和带SPI 的 CAN FD 控制器，可以为不支持 CAN FD 的MCU实现端口扩展或 CAN 支持。 集成BUCK，可为CAN收发器提供 5V电源。 支持待机(standby)、睡眠(sleep)和防护(protected)模式。 CAN FD 速率高达 8Mbps，且 SPI 时钟速率高达 18MHz。

 

表- 1 TI的CAN收发器对比

需要注明的一点是，车规级的TCAN1042-Q1 / TCAN1043-Q1 / TCAN1044-Q1 / TCAN4550-Q1都是属于TI的通用器件 (Standard Product)，其性价比以及交期都是相当不错。

 

AUTO CAN	P/N	Data Rate	Description
5V	TCAN1042-Q1	5 Mbps	70V Bus fault, EMC Optimized,
	TCAN1043-Q1	5 Mbps	70V Bus fault, Wake/INH
	TCAN1044-Q1	8 Mbps	58V Bus fault, P2P with TCAN1042/51
	TCAN4550-Q1	8 Mbps	SPI to CAN FD Controller

 

表- 2 TI汽车级通用接口

综上所述，TI的多种CAN接口芯片（如TCAN1042-Q1）可满足汽车应用如T-BOX中低电磁干扰的、低功耗、ESD性能优良、高耐压、低成本、高性价比等众多要求，是相当“硬核”的CAN收发器！

审核编辑：郭婷