虹科干货 车规级CAN XL的电磁兼容性能研究

摘要

近年来，由于一些众所周知的原因（如高级驾驶辅助系统，ADAS），车辆中集成了越来越快的数据连接。因此，CAN总线也在不断发展，从CAN到CAN FD、CAN SIC，再到目前的CAN XL。本文展示了当前在车辆中进行电磁兼容性（EMC）研究的状况，比较了不同集成电路（IC）的实现方式及其在车辆中的抗干扰性和干扰发射方面的EMC特性。

01. 车辆中的电磁兼容性

电子系统的电磁兼容性（EMC）是指在其电磁环境中能够正常工作，且不会相互干扰或受到干扰的能力[1]。这意味着电子系统必须具有较高的抗干扰能力，同时电磁发射要低。 在这种情况下，系统就是CAN XL的物理层，即收发器(TRX)、共模扼流圈 (CMC)、可能的外部 ESD 抑制设备、电缆和相应的拓扑结构。电磁环境在很大程度上由车辆决定。

除了法律要求外，符合车辆中的EMC要求（包括发射和抗干扰能力）也是各种客户功能的质量的一个基本特征。

随着车辆中网络化水平的提高[2]，以及每一种新的总线技术和每一个新的电子控制单元（ECU）的引入，电气系统的电磁发射和抗干扰能力的EMC要求也在增加。

在引入新的总线系统（如CAN XL）时，通常会循环经历EMC开发的3个典型阶段，以便从研究结果中推导出对总线系统的要求[3]。

CAN XL接口的基本研究和优化是在半导体级别（IC级别）进行的。而网络参数、电缆材料、连接器、引脚分配和组装则在控制单元级别（ECU级别）进行研究。在汽车级别（车辆级别），需要在不同的车辆中测试不同的拓扑结构，并与IC和ECU级别的测量结果进行比较。

研究的目的是提前评估新联网技术对EMC的影响。

基于车辆中的EMC行为表现，推导出半导体和车载电气系统的限值和要求以及测试条件，以确保其顺利集成到车辆中。

在接下来的章节中，将展示车辆测量结果的示例，并对IC测量结果进行初步展望。

每次测量中，收发器被随意命名为A型、D型、E型等，因此无法通过这些名称判断收发器的整体性能。

02. CAN XL拓扑结构

图1所示拓扑结构用于描述车辆CAN XL网络的EMC行为表现。它们基于之前的用于5 Mbit/s CAN FD研究的拓扑结构，并在此之上针对CAN XL进行了调整[CS]。

CAN XL网络分为前部链路（链路1）和后部链路（链路2），以便检查车辆特定的影响因素，如磁场暴露影响或ECU相对于天线的位置。链路1和链路2相互连接，形成一个「最坏情况」的链路（链路3）。ECU的位置和总线电缆的布线没有变化，只是增加了一条额外的电缆来连接两个星点。

链路3不符合任何预期的信号完整性设计规则，但可用于探索CAN XL的极限。同时为了确定拓扑结构的依赖性，还增加了一种名为「菊花链」的总线结构（链路4）用以测试。

图1：EMC验证的拓扑结构

图1中所示的拓扑结构安装在不同的组别的车辆中，以验证不同电磁环境条件下的EMC特性。电子控制单元配备了具有以160MHz时钟运行的Bosch CAN XL IP核的FPGA。各种收发器都连接到FPGA。数据传输通过未屏蔽的100 Ω双绞线电缆进行，这种电缆也可用于FlexRay。

03. 抗射频干扰能力

其抗干扰能力的频率范围为100 kHz至3 GHz。基于之前的研究结果，以下仅展示不高于220 MHz的结果。表1总结了5 Mbit/s数据速率下的射频抗扰度测试结果，表2总结了10或12.3 Mbit/s数据速率下的射频抗干扰测试结果。图2展示了一个失效曲线的示例，评估就是基于此。即使与限值线的微小偏差也被视为「失败」。

表1：5 Mbit/s数据速率下的射频抗干扰测试结果

表2：10或12.3 Mbit/s数据速率下的射频抗干扰测试结果

图2：射频抗干扰测量中的故障曲线示例

对于高达12.3 Mbit/s的数据速率，可以观察到故障与窄带故障有关。这些故障的数量和故障阈值取决于拓扑结构和收发器的选择。为了进一步分析EMC影响因素并创建更多的动态表现，某些收发器在选定的拓扑结构中以20 Mbit/s的数据速率运行。不过需要注意的是，这些收发器均未最终开发完毕也不适用于如此高的数据速率测试。结果总结在表3中。

所使用的CAN XL收发器在抗干扰性方面表现明显不同。一种收发器会出现小的窄带故障（图 3），而其他收发器则会出现明显的宽带故障（见图 4）。

表3：20Mbit/s数据速率下的射频抗干扰测试结果

图3：20 Mbit/s抗干扰测量中的窄带故障

20 Mbit/s抗干扰测量中的宽带故障

在高达12.3 Mbit/s的数据测试速率，评估其结果表明，当前的CAN XL测试集成电路IC已经具有较高的抗扰度。即使在最坏情况的拓扑结构（链路3）中，也有一些收发器在最大场暴露下没有显示故障。

在信号完整性良好的拓扑结构（链路4）中，即使在高达20 Mbit/s的数据速率下也没有出现故障。因此，可以得出结论，一个「合适的」总线设计对抗电磁干扰能力是有促进作用的，即使在高达20 Mbit/s的数据速率下也是如此。

在确定CAN XL总线的设计规则后，可将车辆测试获得的测量数据与根据 IEC 62228-3[4]进行的集成电路级测试的DPI抗扰度结果进行比较。

根据结果将确定抗干扰能力的极限值。这包括，例如，确定总线的不对称度或用于测试的总线滤波器。

04. 射频干扰发射

为了测量电磁发射能力，CAN XL网络也在图1所示的拓扑结构中运行。它是独立运行的，即车辆的其余部分已与电池断开连接。

令人特别感兴趣的是对车内各种天线系统的干扰耦合，尤其是在FM和DAB频段。

第一步，确定同构网络中的射频发射（即所有ECU使用相同类型的收发器），这有助于在各自的频段内比较不同的CAN XL收发器。

图5展示了链路1在FM频段中的比较，图6展示了链路2的比较。

通过比较前部链路和后部链路的射频发射测量结果（链路1与链路2），可以得出ECU以及线束布线到天线结构的距离的影响。

图5：不同CAN XL收发器在12 Mbit/s调频频段的射频发射比较

图6：不同CAN XL收发器在12 Mbit/s调频频段的射频发射比较

链路1和链路2的发射曲线对比阐明了干扰频谱与 ECU 位置、线束布线和天线结构距离存在明显的相关性。我们可以得知在所有情况下，干扰幅度都会增加3分贝至6分贝。

除了观测到CAN XL网络与数据相关的宽带辐射外，还能测量到重要的窄带干扰（SBS）。SBS的频率取决于所选的数据速率。此外，还可以清楚地看到各种经过测试的CAN XL收发器在优化射频辐射方面所处的不同发展阶段。

图7展示了基于IEC 62228-3要求的150Ω双绞线方法，在10 Mbit/s数据速率下各种IC的电磁发射情况。

图7：干扰辐射示例 - 150Ω方法

IC层面测量到的发射光谱与车载天线上测量到的发射光谱非常吻合。窄带干扰也可以观测到。集成电路和车载天线在FM和DAB波段的测量结果对比也表明，9 dBμV的限值是一个很好的折中值。

05. 总结

从截至目前的EMC研究中可以看出，CAN XL的抗射频干扰能力已经达到了很高的水平。虽然在一些未优化信号完整性的拓扑结构中观察到了一些窄带故障。下一步，必须定义CAN XL拓扑结构的相应设计规则。一旦完成就可以进一步进行EMC研究，定义IC级别测试的射频抗干扰要求。

干扰发射测量结果表明，不同供应商的CAN XL收发器之间存在显著差异。而那些违反限值的窄带干扰则是由基频谐波引起的。

为了得出CAN XL收发器的电磁兼容要求，我们将上述电磁兼容车辆测量结果与集成电路级测量结果进行了比较。有强烈迹象表明，定义的限值对于其他通信设备的也是符合要求的。

参考文献

[1] Richtlinie 2014/30/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 26. Februar 2014zur Harmonisierungder Rechtsvorschriften derMitgliedstaaten überdieelektromagnetische Verträglichkeit

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

[3] Dr.-Ing. Körber, 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

文章来源

本文基于Frank Schade（大众汽车集团技术专家）和Bernd Körber（茨维考应用技术大学研究与技术转移中心技术专家）在第18届国际CAN大会（iCC）的演讲。已刊于《第18届iCC会议论文集》2024版，由CiA出版。虹科智能互联团队翻译并分享，旨在与行业同仁共享前沿技术成果

审核编辑 黄宇