符合整車廠要求的CAN/LIN實體層介面電路設計

作者: 高楊

為了符合整車廠對於車載控制器設計的要求,本文將分別介紹CAN與LIN匯流排介面,由於這兩種車載匯流排涉及範圍較廣,本文將著重於其實體層展開深入討論...

汽車電子設計日益使用「控制器區域網路」(CAN)和「局域互連網路」(LIN)車載匯流排作為電子控制單元(ECU)、感測器與顯示器等系統之間進行通訊的標準介面。CAN已獲得廣泛應用,並成為車載控制器的必備介面和標準協定,而LIN則主要作為CAN等其他汽車電子多路網路的補充。

為了符合整車廠對於車載控制器設計的要求,本文將分別介紹這兩種匯流排介面;由於CAN/LIN涉及範圍較多,本文將著重於其實體層展開深入討論。

CAN實體層介面電路設計

CAN匯流排的實體層是將車載控制器連接至匯流排的驅動電路。實體層定義了實體資料在匯流排上各節點之間的傳輸過程,主要在於連接介質、線路電氣特性、資料的編碼/解碼、位元定時和同步的實施標準。BOSCH CAN基本上並未對實體層加以定義,但基於CAN的ISO標準對實體層進行了定義,設計車載控制器的CAN電路時,實體層電路具有很大的選擇餘地。

實體層主要取決於傳送速率的要求。從實體結構來看,CAN的實體層從結構上可分為三層,分別是實體訊號層(Physical Layer Signaling,PLS)、實體介質附件(Physical Media Attachment,PMA)層和介質從屬介面層(Media Dependent Interface,MDI)。其中PLS連同資料連結層功能由CAN控制器完成,PMA層功能由CAN收發器完成,MDI層定義了電纜和連接器的特性。PMA和MDI兩層有很多不同的國際或產業標準,比較常見的是ISO11898協定定義的高速CAN發送/接收器標準,但也可自行定義,這就使得不同的元件供應商電路在實體層介面電路都各不相同。

因此,如何設計符合整車廠要求的實體層介面電路,從而能夠通過整車廠的設計評審及工程驗收,就成為值得討論的重要主題。

本節討論三種CAN實體層介面電路的設計,包括(1)帶有齊納二極體的CAN實體層介面;(2)帶有壓敏電阻器的CAN實體層介面;以及(3)帶有濾波器的CAN實體層介面(Filter Termination)。

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圖1:帶有齊納二極體的CAN實體層介面

帶有齊納二極體的CAN實體層介面

圖1可以看到,帶有齊納二極體(Zener diode)的CAN實體層介面可以劃分成三個元件功能區域,分別是終端元件、可選元件和靜電放電(ESD)元件。終端元件中包含R1、R2和C4,可選元件是0W的電阻,ESD元件包含C2、C3、Z1和Z2。以下詳細介紹每一種元件的作用(表1)和設計注意事項。

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表1:帶有齊納二極體的CAN實體層介面的元件及其作用。

設計注意事項:

  • C1(VCC):C1在此有兩種可能的放置位置,如果是在控制器內部的C1,只需要滿足容量≥90nF,電壓≥16V耐壓等級即可。
  • C1(VBAT):如果是第二種情況,即這裡是一顆系統基礎晶片(SBC),則有更高的選型要求。容量≥90nF±10%,電壓≥100V耐壓,注意此時C1的電容是直接接到電池的正端,需要採用滿足Flexisafe或者等效功能的電容進行設計。
  • C2、C3:這兩個電容在此作為ESD的防護電容。需要選擇容值在100pF±10%、額定工作電壓>50V的電容。還必須注意的是在PCB佈線時,C2、C3必須盡可能地靠近連接器(小於10mm),這樣才有更好的ESD保護效果。
  • Z1、Z2:這兩個齊納二極體同樣作為ESD保護。需要選用擊穿電壓在27V的齊納二極體,這樣才可以使外部的高電壓在經過齊納二極體到達CAN_H和CAN_L的接腳電壓時不至於擊穿CAN收發器。以NXP TJA1054A為例,資料手冊(圖2)中顯示,CAN_H和CAN_L的最大值耐受電壓為+40V,最小值耐受電壓為-27V,這也就是為何要用雙向的齊納二極體將外部電壓箝位在±27V之間的原因。還要注意的是在PCB佈線時,Z1、Z2必須盡可能靠近連接器(小於10mm),才能得到更好的ESD保護效果。

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圖2: NXP TJA1054A的資料手冊(部份)。

  • R1、R2:這兩個是CAN網路的終端電阻,需要選擇±1%精度的電阻,並且要保證R1+R2=118–13W (包括容差,不同的整車廠對於這個值具有不同的要求,此處的值來自於Ford的需求標準),考慮到R1和R2會在最差情況下短路到電源和降等級設計的要求,需要將R1和R2的額定功率選為250mW。
  • C4:終端濾波容,用來濾除在終端電阻R1和R2上的耦合雜訊。此處選擇4.7nF±10%、50V的耐壓等級。

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圖3:帶有壓敏電阻器的CAN實體層介面。

帶有壓敏電阻器的CAN實體層介面

圖3可以看到,帶有壓敏電阻器的CAN實體層介面可以劃分成三個元件功能區域,分別是終端元件、可選元件和ESD元件。終端元件中包含R1、R2和C4,可選元件是個0W的電阻,ESD元件包含V1和V2。以下詳細介紹每一個元件的作用(表2)和設計注意事項。

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表2:帶有壓敏電阻器的CAN實體層介面元件及其作用。

設計注意事項:

  • C1(VCC)、C1(VBAT):請分別參照第(1)部份帶有齊納二極體的CAN實體層介面對C1(VCC)、C1(VBAT)的說明。

  • V1、V2:這兩個壓敏電阻器提供了ESD保護作用。需要選用擊穿電壓在±27V的壓敏電阻器,才能使外部的高電壓在經過壓敏電阻器到達CAN_H和CAN_L的接腳電壓時不至於擊穿CAN收發器。同樣以TJA1054A為例,資料手冊(圖2)中顯示CAN_H和CAN_L的最大值耐受電壓為+40V,最小值耐受電壓為-27V,壓敏電阻器必須將外部電壓箝位在±27V之間。此外,還必須注意在PCB佈線時,V1、V2必須盡可能靠近連接器(小於10mm),才會有更好的ESD保護效果。

  • R1、R2、C4:請分別參照第(1)部份帶有齊納二極體的CAN實體層介面對R1、R2、C4的說明。

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圖4:帶有濾波器的CAN實體層介面。

帶有濾波器的CAN實體層介面

圖4可以看到,帶有濾波器的CAN實體層介面可以劃分成兩個元件功能區域,分別是終端元件和ESD元件(這與帶有齊納二極體和帶壓敏電阻器的介面電路有所不同)。終端元件中包含C2、C3和R1,ESD元件包含C4、C5、Z1和Z2。但目前此類CAN實體層介面並不是很常見。以下詳細介紹每一個元件的作用(表3)和設計注意事項。

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表3:帶有濾波器的CAN實體層介面元件及其作用。

設計注意事項:

  • C1(VCC)、C1(VBAT):請分別參照第(1)部份帶有齊納二極體的CAN實體層介面對C1(VCC)、C1(VBAT)的說明。
  • C2、C3:注意此處的電容為終端電容,不是ESD電容。需要選用220pF±10%、耐壓等級>50V的元件。
  • C4、C5:參照第(1)部份帶有齊納二極體的CAN實體層介面對C2、C3的說明。
  • R1:注意此處只用了一個終端電阻,其取值範圍在59~66W之間(包括容差,不同的整車廠對於這個值有不同的要求,此處的值來自於Ford的需求標準),考慮到R1會在最差情況下短路到電源和降等級設計的要求,需要將R1的額定功率選為250mW。
  • Z1、Z2:參照第(1)部份帶有齊納二極體的CAN實體層介面對Z1、Z2的說明。

綜上所述,除了以上的設計需求,以下還有一些注意事項(並不區分先後順序和優先順序)在設計中必須同等對待。

  • CAN收發器的佈局位置必須盡可能地靠近車載控制器的連接器,其他的IC不允許放置在CAN收發器的附近。
  • CAN收發器的接地,以及輸入電容、齊納二極體和壓敏電阻器的接地都應該和車載控制器共用接地。
  • C1電容必須盡可能地靠近CAN收發器的電源接腳(VCC/VBAT)。
  • C1、C2、C3和C4必須是MLCC電容或等效的元件。
  • R1和R2必須用單個電阻來滿足阻值以及容差的要求,不允許用多個串聯的方式來滿足阻值的要求。
  • CAN_H/CAN_L的接腳到達車載控制器的連接器必須盡可能地短並保持平行,可靠的佈線規則是讓CAN_H/CAN_L、TXD和RXD保持在PCB的同一層。
  • 所有ESD電容必須盡可能地靠近車載控制器的連接器。

LIN實體層介面電路設計

LIN匯流排適用於對網路的頻寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應用,例如控制門、座椅以及方向盤控制開關等。LIN匯流排是採用單主控制器/多從設備的模式,是UART中的一種特殊情況。

至於LIN匯流排的實體層則是將車載控制器連接至匯流排的驅動電路。因為LIN匯流排採用主/從結構,一個LIN網路至少由一個主節點和至少一個或多個從節點組成,因而就有兩種與外部匯流排連接的實體層介面電路結構(主節點和從節點)。因此,如何設計符合整車廠要求的LIN實體層介面電路,從而能夠通過整車廠的設計評審及工程驗收,就成為必須討論的重要主題。

本節將討論主/從節點下的LIN實體層介面電路及其設計要點,包括(1)主節點的LIN實體層介面電路;以及(2)從節點的LIN實體層介面電路。

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圖5:主節點的LIN實體層介面電路。

主節點的LIN實體層介面電路

圖5可以看到,主節點的LIN實體層介面可以劃分成兩個元件功能區域:主節點功能元件和ESD保護元件。主節點功能元件包含D1和R1,ESD保護元件包含Z1。

此外,還有可選元件R2或L1。C1、C2、C3都是電源濾波元件。以下詳細介紹每一個元件的作用(表4)以及設計注意事項。

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表4:主節點的LIN實體層介面電路元件及其作用。

設計注意事項:

  • C1:需要滿足容量680pF±10%,電壓≤100V耐壓等級。
  • C2、C3:在這種情況下,C2、C3有兩種可能的元件應用情況。第一種情況是位於控制器IC內部的電源濾波,需要滿足容量≤90nF、電壓≤100V耐壓;第二種情況是如果未採用Flexisafe電容,則必須使用兩個電容串聯並以垂直佈局的方式進行設計,C3容量≤180nF、電壓≤50V耐壓。
  • D1:主節點的LIN實體層功能元件,此元件只在LIN的主節點下才使用。選用耐壓≤100V、正向電流≤100mA的二極體。
  • R1:主節點的LIN實體層功能元件,可作為主節點的上拉電阻,此元件只在LIN的主節點下才使用。可以選用1kΩ的電阻器,考慮到R1會在最差情況下短路到接地和降等級設計的要求,將R1的額定功率選為250mW。
  • R2、L1:這兩個元件屬於可選元件。取決於EMC實驗中輻射抗干擾度的通過情況,L1通常選用45-105µH、飽和電流為150mA的電感;如果實驗通過則直接就用R2(0Ω)直通。
  • Z1:這個齊納二極體作為ESD保護作用。需要選用擊穿電壓在27V的齊納二極體,才能使外部的高電壓在經過齊納二極體到達LIN收發器的接腳時不至於擊穿。以NXP TJA1021為例,資料手冊(圖6)中顯示LIN接腳最大耐受電壓為±40V。為了考慮相容其他半導體公司的收發器LIN接腳極限值,以及為了確保一定的設計冗餘,用雙向的齊納二極體將外部電壓箝位在±27V。還需要注意的是在PCB佈線時,Z1必須盡可能地靠近連接器,這樣才有更好的ESD保護效果。

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圖6: NXP TJA1021的資料手冊(部分)。

can-lin-phy

圖7:從節點的LIN實體層介面電路。

從節點的LIN實體層介面電路

圖7可以看到,從節點的LIN實體層介面可以劃分成兩類功能元件:電源濾波元件和ESD保護元件。電源濾波元件中包含C1、C2和C3,ESD保護元件包含Z1。此外還有可選元件R2和L1。

以下詳細介紹每一個元件的作用(見表5)以及設計注意事項。

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表5:從節點的LIN實體層介面元件及其作用。

設計注意事項:

  • C1:C1位於控制器內部,只需滿足容量220pF±10%、電壓≤100V耐壓等級即可。
  • C2、C3:C2、C3在此有兩種可能的元件應用情況。其一是位於控制器IC內部,滿足容量≤90nF、電壓≤100V耐壓;其次,如果用的不是Flexisafe的電容,則需將兩個電容串聯並以垂直佈局進行設計。C3容量≤180nF、電壓≤50V耐壓。
  • R2、L1:這兩個元件屬於可選元件。取決於EMC實驗中輻射抗干擾度的通過情況來選用,L1通常選用45~105µH、飽和電流為150mA的電感。如果實驗通過則直接使用R2(0Ω)直通。
  • Z1:該齊納二極體提供ESD保護作用。需要選用擊穿電壓在27V的齊納二極體,才能使外部的高電壓在經過齊納二極體到達LIN收發器的接腳時不至於擊穿。

以NXP TJA1021為例,資料手冊(見圖6)中顯示LIN接腳最大耐受電壓為±40V,為了考慮相容其他半導體公司的收發器LIN接腳極限值,以及為了確保一定的冗餘電壓,用雙向的齊納二極體將外部電壓箝位元至±27V。還需要注意的是在PCB佈線的時候,Z1必須盡可能地靠近連接器,以便取得更好的ESD保護效果。

綜上所述,除了以上的設計需求,還有以下一些注意事項在設計中同樣重要。

  • LIN收發器的佈局位置必須盡可能地靠近車載控制器的連接器,其他的IC不允許放置在LIN收發器附近。
  • LIN收發器的接地,以及濾波電容、齊納二極體都應該和車載控制器共接地。
  • C1、C2必須是MLCC電容或等效元件。
  • C2、C3必須盡可能地靠近LIN收發器的電源腳(VCC/VBAT),見圖5圖7
  • 電容100V耐壓要求是對於直接和電池端連接的元件的統一要求,對於和LIN收發器端連接的電容,耐壓50V即可。
  • 所有ESD元件必須盡可能地靠近車載控制器的連接器。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年12月號

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