摘要

近年來，由于一些眾所周知的原因（如高級駕駛輔助系統(tǒng)，ADAS），車輛中集成了越來越快的數(shù)據(jù)連接。因此，CAN總線也在不斷發(fā)展，從CAN到CAN FD、CAN SIC，再到目前的CAN XL。本文展示了當前在車輛中進行電磁兼容性（EMC）研究的狀況，比較了不同集成電路（IC）的實現(xiàn)方式及其在車輛中的抗干擾性和干擾發(fā)射方面的EMC特性。

01. 車輛中的電磁兼容性

電子系統(tǒng)的電磁兼容性（EMC）是指在其電磁環(huán)境中能夠正常工作，且不會相互干擾或受到干擾的能力[1]。這意味著電子系統(tǒng)必須具有較高的抗干擾能力，同時電磁發(fā)射要低。 在這種情況下，系統(tǒng)就是CAN XL的物理層，即收發(fā)器(TRX)、共模扼流圈 (CMC)、可能的外部 ESD 抑制設備、電纜和相應的拓撲結構。電磁環(huán)境在很大程度上由車輛決定。

除了法律要求外，符合車輛中的EMC要求（包括發(fā)射和抗干擾能力）也是各種客戶功能的質量的一個基本特征。

隨著車輛中網(wǎng)絡化水平的提高[2]，以及每一種新的總線技術和每一個新的電子控制單元（ECU）的引入，電氣系統(tǒng)的電磁發(fā)射和抗干擾能力的EMC要求也在增加。

在引入新的總線系統(tǒng)（如CAN XL）時，通常會循環(huán)經(jīng)歷EMC開發(fā)的3個典型階段，以便從研究結果中推導出對總線系統(tǒng)的要求[3]。

CAN XL接口的基本研究和優(yōu)化是在半導體級別（IC級別）進行的。而網(wǎng)絡參數(shù)、電纜材料、連接器、引腳分配和組裝則在控制單元級別（ECU級別）進行研究。在汽車級別（車輛級別），需要在不同的車輛中測試不同的拓撲結構，并與IC和ECU級別的測量結果進行比較。

研究的目的是提前評估新聯(lián)網(wǎng)技術對EMC的影響。

基于車輛中的EMC行為表現(xiàn)，推導出半導體和車載電氣系統(tǒng)的限值和要求以及測試條件，以確保其順利集成到車輛中。

在接下來的章節(jié)中，將展示車輛測量結果的示例，并對IC測量結果進行初步展望。

每次測量中，收發(fā)器被隨意命名為A型、D型、E型等，因此無法通過這些名稱判斷收發(fā)器的整體性能。

02. CAN XL拓撲結構

圖1所示拓撲結構用于描述車輛CAN XL網(wǎng)絡的EMC行為表現(xiàn)。它們基于之前的用于5 Mbit/s CAN FD研究的拓撲結構，并在此之上針對CAN XL進行了調整[CS]。

CAN XL網(wǎng)絡分為前部鏈路（鏈路1）和后部鏈路（鏈路2），以便檢查車輛特定的影響因素，如磁場暴露影響或ECU相對于天線的位置。鏈路1和鏈路2相互連接，形成一個「最壞情況」的鏈路（鏈路3）。ECU的位置和總線電纜的布線沒有變化，只是增加了一條額外的電纜來連接兩個星點。

鏈路3不符合任何預期的信號完整性設計規(guī)則，但可用于探索CAN XL的極限。同時為了確定拓撲結構的依賴性，還增加了一種名為「菊花鏈」的總線結構（鏈路4）用以測試。

圖1：EMC驗證的拓撲結構

圖1中所示的拓撲結構安裝在不同的組別的車輛中，以驗證不同電磁環(huán)境條件下的EMC特性。電子控制單元配備了具有以160MHz時鐘運行的Bosch CAN XL IP核的FPGA。各種收發(fā)器都連接到FPGA。數(shù)據(jù)傳輸通過未屏蔽的100 Ω雙絞線電纜進行，這種電纜也可用于FlexRay。

03. 抗射頻干擾能力

其抗干擾能力的頻率范圍為100 kHz至3 GHz?；谥暗难芯拷Y果，以下僅展示不高于220 MHz的結果。表1總結了5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗擾度測試結果，表2總結了10或12.3 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測試結果。圖2展示了一個失效曲線的示例，評估就是基于此。即使與限值線的微小偏差也被視為「失敗」。

表1：5 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測試結果

表2：10或12.3 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測試結果

圖2：射頻抗干擾測量中的故障曲線示例

對于高達12.3 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，可以觀察到故障與窄帶故障有關。這些故障的數(shù)量和故障閾值取決于拓撲結構和收發(fā)器的選擇。為了進一步分析EMC影響因素并創(chuàng)建更多的動態(tài)表現(xiàn)，某些收發(fā)器在選定的拓撲結構中以20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率運行。不過需要注意的是，這些收發(fā)器均未最終開發(fā)完畢也不適用于如此高的數(shù)據(jù)速率測試。結果總結在表3中。

所使用的CAN XL收發(fā)器在抗干擾性方面表現(xiàn)明顯不同。一種收發(fā)器會出現(xiàn)小的窄帶故障（圖 3），而其他收發(fā)器則會出現(xiàn)明顯的寬帶故障（見圖 4）。

表3：20Mbit/s數(shù)據(jù)速率下的射頻抗干擾測試結果

圖3：20 Mbit/s抗干擾測量中的窄帶故障

20 Mbit/s抗干擾測量中的寬帶故障

在高達12.3 Mbit/s的數(shù)據(jù)測試速率，評估其結果表明，當前的CAN XL測試集成電路IC已經(jīng)具有較高的抗擾度。即使在最壞情況的拓撲結構（鏈路3）中，也有一些收發(fā)器在最大場暴露下沒有顯示故障。

在信號完整性良好的拓撲結構（鏈路4）中，即使在高達20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率下也沒有出現(xiàn)故障。因此，可以得出結論，一個「合適的」總線設計對抗電磁干擾能力是有促進作用的，即使在高達20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率下也是如此。

在確定CAN XL總線的設計規(guī)則后，可將車輛測試獲得的測量數(shù)據(jù)與根據(jù) IEC 62228-3[4]進行的集成電路級測試的DPI抗擾度結果進行比較。

根據(jù)結果將確定抗干擾能力的極限值。這包括，例如，確定總線的不對稱度或用于測試的總線濾波器。

04. 射頻干擾發(fā)射

為了測量電磁發(fā)射能力，CAN XL網(wǎng)絡也在圖1所示的拓撲結構中運行。它是獨立運行的，即車輛的其余部分已與電池斷開連接。

令人特別感興趣的是對車內各種天線系統(tǒng)的干擾耦合，尤其是在FM和DAB頻段。

第一步，確定同構網(wǎng)絡中的射頻發(fā)射（即所有ECU使用相同類型的收發(fā)器），這有助于在各自的頻段內比較不同的CAN XL收發(fā)器。

圖5展示了鏈路1在FM頻段中的比較，圖6展示了鏈路2的比較。

通過比較前部鏈路和后部鏈路的射頻發(fā)射測量結果（鏈路1與鏈路2），可以得出ECU以及線束布線到天線結構的距離的影響。

圖5：不同CAN XL收發(fā)器在12 Mbit/s調頻頻段的射頻發(fā)射比較

圖6：不同CAN XL收發(fā)器在12 Mbit/s調頻頻段的射頻發(fā)射比較

鏈路1和鏈路2的發(fā)射曲線對比闡明了干擾頻譜與 ECU 位置、線束布線和天線結構距離存在明顯的相關性。我們可以得知在所有情況下，干擾幅度都會增加3分貝至6分貝。

除了觀測到CAN XL網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)相關的寬帶輻射外，還能測量到重要的窄帶干擾（SBS）。SBS的頻率取決于所選的數(shù)據(jù)速率。此外，還可以清楚地看到各種經(jīng)過測試的CAN XL收發(fā)器在優(yōu)化射頻輻射方面所處的不同發(fā)展階段。

圖7展示了基于IEC 62228-3要求的150Ω雙絞線方法，在10 Mbit/s數(shù)據(jù)速率下各種IC的電磁發(fā)射情況。

圖7：干擾輻射示例 - 150Ω方法

IC層面測量到的發(fā)射光譜與車載天線上測量到的發(fā)射光譜非常吻合。窄帶干擾也可以觀測到。集成電路和車載天線在FM和DAB波段的測量結果對比也表明，9 dBμV的限值是一個很好的折中值。

05. 總結

從截至目前的EMC研究中可以看出，CAN XL的抗射頻干擾能力已經(jīng)達到了很高的水平。雖然在一些未優(yōu)化信號完整性的拓撲結構中觀察到了一些窄帶故障。下一步，必須定義CAN XL拓撲結構的相應設計規(guī)則。一旦完成就可以進一步進行EMC研究，定義IC級別測試的射頻抗干擾要求。

干擾發(fā)射測量結果表明，不同供應商的CAN XL收發(fā)器之間存在顯著差異。而那些違反限值的窄帶干擾則是由基頻諧波引起的。

為了得出CAN XL收發(fā)器的電磁兼容要求，我們將上述電磁兼容車輛測量結果與集成電路級測量結果進行了比較。有強烈跡象表明，定義的限值對于其他通信設備的也是符合要求的。

參考文獻

[1] Richtlinie 2014/30/EU des Europ?ischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014zur Harmonisierungder Rechtsvorschriften derMitgliedstaaten überdieelektromagnetische Vertr?glichkeit

[2] Schanze ,Carsten; Future of CAN from the prospective of an OEM; Key Note iCC 2020

[3] Dr.-Ing. K?rber, B., Dipl.-Ing Welzel, S., Dipl.- Ing. Winderlich, T., Dr.-Ing. Diaz-Ortega, L.; ?Auswirkungen der Unsymmetrie von Kabeln und passiven Bauteilen auf die EMV der Busschnittstelle am Beispiel von Ethernet für KfzAnwendungen「; emv Düsseldorf 2014

[4] IEC 62228-3 Integrated circuits – EMC evaluation of transceiver – Part 3: CAN transceiver

文章來源

本文基于Frank Schade（大眾汽車集團技術專家）和Bernd K?rber（茨維考應用技術大學研究與技術轉移中心技術專家）在第18屆國際CAN大會（iCC）的演講。已刊于《第18屆iCC會議論文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互聯(lián)團隊翻譯并分享，旨在與行業(yè)同仁共享前沿技術成果

審核編輯 黃宇