CAN收发器在带宽可靠性和低功耗方面的聚合挑战

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1、白皮书CAN 收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战David Lopez 和Philippe Mounier 飞思卡尔半导体摘要行业正在面临着看似截然相反的两种发展趋势，一种趋势需要更高带宽，以更低的成本提高数据交换速率；另一种趋势则需要出色的能源效率。 CAN 是平衡这两种需求的核心所在，这需要推出多种创新技术，既要分别利用这些技术，同时又要将它们相互结合，以便应对这两种趋势，最终各种需求和限制因素归结为物理层的实现。本文介绍 CAN FD(Flexible data) 可变速率物理层的技术挑战、潜在的应用案例场景，包括边界条件下的可靠性要求，以及与替代性解决方案相比，为网络带来的器件

2、节省优势。与此同时，为了功耗优化，可供选择的是否带唤醒系统功能的 CAN 收发器在汽车行业的应用不断增加，并且能够为有这类需求的其它市场（例如工业市场）带来极大的效益。每一种创新都有助于确保并且增强CAN 的使用性能，提高效率或增加传输速率，如今这些创新相互组合，又需要解决各种全新的挑战。目 录1 摘要3 CAN高速物理层和提高带宽的挑战4 CAN 可靠性7 CAN 和能源效率9 创新的反向集成CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战在汽车网络领域，通信标准已经向前迈出了重大一步，电子设备延伸到各种汽车平台。自从1980 年控制器局域网 (CAN) 创建以来，它便在一直适应发展

3、，解决了这个行业的带宽、可靠性和低功耗等方面的各种挑战。各种市场都采用了 CAN 拓扑技术。 CAN 最初的开发目的是为了支持汽车市场，随着获得汽车5大领域（动力总成、底盘、安全、车身和车载信息娱乐系统）的大范围认可，CAN 如今已经应用于众多其它领域（重型车辆基于J1939 的解决方案、农业机械ISO 11783 ，又称 Isobus 、航天系统 Arinc 825/6 、移动设备、医疗不断发展壮大、采用CANopen EN50325-4 和CANopen 安全标准EN 50325-5 的工厂自动化应用）。到 2015 年将会达到 20 亿个节点（ 80% 的节点属于汽车市场，其它属于工业市

4、场），CAN 会成为最大规模工业网络标准的组成部分，并在对成本和可靠性敏感的应用中受到越来越多的关注。CAN 市场细分，单位百万(2015 年)4001600工业汽车数据来源：汽车分析，CAN 自动化CAN 的优势有多种：由基于全差分结构，可以用于系统间通信，降低了噪声干扰；它还可以作为即插即用解决方案，提供灵活的带宽。此外，由于通过行业规范的认可和兼容性、一致性测试（电气和 EMC/ESD ），大幅提高了物理层对外部干扰的抵抗能力和内部噪声的抑制能力。 CAN 收发器的这些新的技术革命带来了他的使用更加简单、快速和强健。这种标准化的进程有利于 CAN 总线技术在市场上的快速增长，降低了这种技

5、术解决方案的整体成本。如今，为了适应更快通信速率的行业发展趋势，以及降低网络能耗的需求，由此推出了新的标准。CAN PN(Partial Networking) (ISO11898-6)支持选择性唤醒，在物理层内部可以存储并检查ECU 唤醒。其次，另一个问题便是需要提高带宽，CAN FD 确保了在传输期间实现更快的波特率和更高的数据量。白皮书2CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战提高网络级的带宽可以延迟向更高波特率网络的过渡，并且成本更低（与FlexRay 或者以太网相比），提供中间系统解决方案，满足更高通信速率的需求。这样的演变需要物理层做出相应的调整以适应每一种市场的需

6、求，而且需要将各种架构加以整合，以便维持强劲的性能。CAN 高速物理层和提高带宽的挑战如今大部分汽车 CAN 使用速率为500 kb/s ，只有少数应用的运行速率达到1 Mb/s ，但它们会面临严重的技术限制条件。例如网络长度和节点数量，CAN FD 允许提高 CAN 帧数据段的比特率，并且可以扩大传输数据字节的数量，同时数据帧起始段(ID,DLC) 与现行的波特率保持一致，大多数情况下为500 kb/s 。这从整体上有助于提高CAN 协议的效率，同时确保运行现有的CAN 网络拓扑技术（长度、节点、终端概念）。在最初发布时， CAN FD协议和技术规范声称其可以使用现有的CAN 收发器，尽管运

7、行速率可高达8 Mb/s 。但是，深入分析 ECU 和主要的 CAN 收发器设备在最终应用环境（例如EMC ）中应该满足的要求、环境和技术规范，所得结论是：至少需要对CAN 收发器实施一定的优化，最终大幅改变收发器的理念或设计，从而全面符合可变速率的技术规范。关于 EMC ，辐射干扰或传导干扰取决于信号完整性和CAN 信号的波形。然而，CAN 传输波特率（即500 kb/s ）衍生出的基波和谐波在整个频谱范围内都是清晰可见的。为了提高 CAN FD 波特率，部分比特数据通过更高波特率传输，这会导致谐波“移动”到更高频率的频谱范围。在这些频率下，要求具有极低的干扰，如果没有外部滤波组件或内在的设

8、计改进，CAN FD 收发器将难以满足这些需求。以下波形展示了500 kb/s和2 Mb/s 速率时典型的 CAN 接口频谱图，未采用外部滤8CAN FD2 Mb/s的速率下运行时产生的频率“位移”清波器。数值根据 IEC61967 标准测量获得。在晰可见。白皮书3CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战MC33901 在速率为 500 kps 和 2 Mbps 时的 CAN 干扰对比80702微秒 /比特 (500 kb/s)605040dBvdB3020100-10-20150 kHZ1 MHz10 MHz100 MHz1 GHz频 率807060500纳秒 /比特 (2

9、Mb/s)5040dBv3020100-10-20z150 kHZ1 MHz10 MHz100 MHz1 GHz频 率为了保持汽车市场的 EMC 等级要求，需要对 CAN 驱动程序进行优化， CAN FD 的传输速率达到 2MB/s 是第一步，以后还会实现更高的传输速率。CAN 稳健性可靠性CAN 物理层收发器的一个重大性能革命在于它实现了自身抵御系统噪声的干扰，无论有无外部的保护器件。在定义 CAN 物理层时需要考虑多种规范的需求。为了解决这些挑战，在EME 、 EMI 、ESD 领域，利用先进的混合信号和电源技术SMARTMOS 8工艺，已经开发出一系列丰富多样的创新，以便实现系统可靠性的

10、提升，并且无需外部扼流圈保护便可达到标准。抗干扰设计：CAN 网络如同吸收电磁噪声的天线，它通过类似电动机、电磁阀、继电器这些负载切换或者通过外部来源等负荷开关生成。在 CAN 通信期间，当施加电磁噪声时，不得干扰信号完整性不能被干扰。白皮书4CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战这被称为电磁抗干扰(EMI) 。主要采用两种EMI 测试模拟以验证物理层的可靠性：直接功率注入法(IEC62132-4) 和大电流注入法(ISO11452-4) 2 。在外部 EMC 的入侵下， MCU TxD 和RxD终端之间数据的传输和接收的信号应该在一定范围内震荡。随着传输速率的提高，数据的保

11、持时间会减少，所能接受的信号震荡容限范围会随之降低，这需要CAN 收发器具备出色的 EMC 性能。下图为 EMC 测试原理的简化图，通过耦合电容器施加射频干扰，同时收发器向总线传输数据。监控收发器 RxD 信号，并与信号模板对比，它包含了允许的电压和时序偏差（抖动）的典型信号。这种波动会变得越来越小，以适应 CAN FD 的运行。EMC 测试设置和容差范围简化示意图射频功率注入计算机射频功率计BAT-EMC （仪表控制）故障标准GPIB 电缆GPIB波特率TxD信号比特时间偏差500 kb/s250 k2 微秒电缆200 纳秒2 Mb/s1 MHz500 纳秒 纳秒4 Mb/s2 MHz250

12、 纳秒5025 纳秒射频耦合器和衰减器射频放大器信号生成器TXRX测试线路板测试信号在物理层中，可以提供完整的EMC设计流程，包括准确的设计和布局指南、丰富的模块级和顶层单元级仿真以及 EMC仿真内部运行中包括了工艺和温度变量在内的各种模型，从而针对技术规范确保一定程度内的余量。由此，这些设计的改进确保了CAN 信号完整性，支持信号注入量达到39 dBm 。通过 CAN FD使用案例，不受 EMC 的限制，部分传播延迟还可以经过优化，从而实现更高波特率的运行。这种物理层设计的演变对抗干扰性产生了影响，允许的抖动窗口变得越来越小，噪声敏感度也因此增强，设计需要更高的抗干扰解决方案。下图展示了在

13、2 Mb/s 的使用案例情况下，飞思卡尔 MC33901 CAN 高速物理层通过了 DPI注入的性能。白皮书5CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战MC33901/MC34901 带有扼流圈时的直接功率注入CAN ，2 Mb/s功 率4540353025dBm20正向功率15需求水平目标10501 MHz10MHz100MHz1GHzCW凭借高 ESD性能提高系统可靠性：物理层有专门的设计用于承受IC级和系统级定义的最严格ESD标准。它通过了 AEC Q-100 文档中的规定 ESD测试：人体模型(HBM) 10 kV、机器模型 (MM) 200 V和带电设备模型(CDM)

14、750 V。此外，物理层经过优化，还通过了ISO10605:2008 3 、 IEC61000-4-2:20084 、 HMM （人体金属模型）5 定义的系统级压力测试。ESD GUN 可以用于重现人体处理电子系统子部件或者接触汽车/ 设备结构时静电放电的影响。测试物理层所用的标准为 ISO10605:2008 、EN 61000-4-2:2008技术规范， IC上电和未上电。在集成电路开发阶段必须考虑到所有这些标准，因为每一种标准的设置变量都会导致不同的抗压特性。系统级到组件级的 ESD 技术规范AECQ100ISO 10605ISO 10605 - IEC 61000-4-2-制造IEC

15、61000-4-2在正常运行期间无故障-封装- 通电-装卸- 未通电-HBM-MM-CDMISO 10605IEC 61000-4-2汽车（系统）电子控制集成电路单元(ECU )白皮书6CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战CAN H 和CAN L 引脚具有强大的抗静电电压等级，可以预防直接施加在引脚级的系统级压力，无论带或不带外部保护。为了获得这样的高性能(25 kV) ，采用了 SEED7方法（系统高效 ESD设计推广一种板载和片上芯片 ESD保护的 IC/OEM 协同设计方法，从而获得系统级ESD ）。下表归纳了一个飞思卡尔CAN 高速物理层的 ESD性能实例。ESD

16、性能汇总技术规范ISO 10605 未上电设备不上电ISO 10605 设备上电设备性能8 kV8 kV技术规范IEC61004 未上电设备不上电CAN性能设备性能8 kV8 kV高 ESD 和 DPI 的性能组合是对能量吸收的挑战，同时不可降低CAN 通信速度。如上表所示，最新的CAN 物理层旨在通过所有组件和系统ESD 压力测试，同时对外部EMI干扰免疫，无论是否添加外部组件（例如扼流圈），并且处于最优的裸片区域内。所有这些创新构成物理层进一步集成（系统基础芯片(SBC) 、 ASSP 、 ASIC ）可靠性的基础。这些限制条件相互组合，是IC架构的基础所在，从而成功通过最终验收。CAN

17、和能源效率由于 CAN 标准的演变和创新，可以实现系统级的电流和功耗管理。在汽车中未使用时通过禁用和激活低功耗模式，可以降低和优化整个系统的电流消耗。当然在必要情况下，ECU 应当恢复运行。如图所示，可以分析2个 ECU 、汽车泊车辅助和电子泊车制动的运行。当汽车的运行速度超过一定数值时（比如数千公里/ 小时），这些ECU 就不再需要工作了。此时，这些ECU 可以自行设置为低功耗模式，它们通过CAN 网络和 CAN 报文接收车辆速度。当速度大于预先设定的阈值，这些ECU 可以主动设置为低运行模式，禁用或关闭线路板组件（例如MCU 或负载驱动器）的电源。只需最少的IC保持激活状态，用于监控 CA

18、N 总线流量并检测特定的 CAN 报文或 CAN 的部分报文，它可以指示何时给暂停运行的 IC重新上电，以便指示这些 ECU 它们应该恢复运行。这有助于汽车整体功耗的降低和优化。可以通过在与CAN 总线相连的 CAN 收发器内部执行CAN 报文检测，实现这种操作。这被称为CAN 局部网络或 CAN 选择性唤醒。白皮书7CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战挑战在于，通过极低功耗（目标低于500 UA ）能够解码输入的CAN 帧，在 CAN 物理层内以最低成本获得完整的局部网络，且不使用精确的振荡器组件（例如晶体振荡器或共振器）。需要提醒的是，MCU 内部的 CAN 控制器采用

19、极为准确的时钟，其测量的精度和偏差均可达到ppm 级。显然，这样的时钟精度在硅片中还不能实现。然而， CAN 报文和解码只需要“百分比”量程的时钟。因此，凭借创新的技术和解决方案，这些方案可在混合信号硅工艺中完成， CAN 报文的集成可以实现，从而用于 CAN 收发器功能。这些解决方案采用高精度模拟功能（例如低功耗精确振荡器、低电流差分接收器、低功耗基准电压和偏置电路），并且与数字CAN 报文解码器相互结合，以便实现输入CAN 报文的解码。然后，输入CAN报文与预先选择的报文进行比较，收发器唤醒，并且驱动ECU 恢复运行。此外还面临着多种EMC 挑战，尽管汽车中存在射频干扰和电气瞬变，CAN

20、帧仍然需要正确解码。只有电路在极低电流下运行（大约十分之一微安），才能实现整体 500 微安的功耗目标，这变成了一项真正的实施挑战。下图所示为 CAN 局部网络功能的典型结构图，采用市场标准引脚配置。灰色方框是CAN PN 运行期间工作的部分，总计所需电流低于500 微安。执行局部网络功能的CAN 收发器结构图正常和帧检测偏置电压RinVbat休眠2.5V未通电Rin唤醒模式VDD休眠接收器Vio检测器Rxd休眠CAN H未通电CANLTxd差动接收器GNDMOSI电平位移CAN帧解码器时钟MISOSCLK对比CSB唤醒帧控制 /配置 / 误差计数器INHINHLOCAL WAKEWAKE白皮

21、书8CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战下表归纳了日后CAN 收发器升级版的CAN FD 灵活数据的主要技术限制和影响。技术汇总标准XCVR模式运行影响ISO 11898-2收- 发物理 CAN 总线接口FD激活运行， x8速度。计时优化。建议 2 Mb/s 运行。EMC 测试设置和故障标准的定义ISO 11898-5低功耗模式任意帧唤醒无影响ISO 11898-6SWU 、帧检测专用帧唤醒FD“帧解码”和“误差管理”的（局部网络）（ SO 11898-1 ）被动演变，确保不会检测到 CANFD帧的误差。误差管理恰当的“帧结束”检测。在正常运行时，如 ISO11898-2

22、中所述，主要影响在于满足EMC 技术规范的前提下， 满足 CAN FD 时不会降低相应的要求。在局部网络运行中，如 ISO11898-6所述， CAN FD 不可干扰 CAN 输入报文检测， CAN PN 收发器应当是 “被动的可变速率”的。通过恰当检测CAN 帧间隔且适当区分快速数据段，可以达到上一目标。常规数据帧和可变速率帧的对比稳压器 CAN帧FKFOCOSASFD 帧检测（ r0位）快速数据中无闲置阶段检测=停止解码FKFOCOS快速数据ASCAN FD 帧创新的反向集成创新的反向集成抗辐射和抗干扰、ESD 稳健性、低功耗和CAN 高速通信的更高波特率之间获得理想的权衡取舍，需要通过对

23、模拟IC 的每一种物理现象加以深入分析才能实现，正确的数据交互也同样如此。市场向更高波特率的演变需求对期间的抗辐射和抗干扰水平产生了影响。这些要求需要在前期定义时就加以考虑，以便在提高性能的同时，不会降低可靠性。飞思卡尔 MC33901 和 MC34901 CAN FD收发器芯片拥有的高可靠性、极低的待机功耗，使得它在众多产品中独树一帜。飞思卡尔CAN 物理层收发器拥有四个不同的型号，可以解决汽车(MC33901) 和工业(MC34901) 市场的各种挑战，提供配置或不配置总线唤醒选项（W版或 S版）。白皮书9CAN 物理层收发器在带宽、可靠性和低功耗方面的聚合挑战关于 CAN PN ，物理层

24、需要模拟收发器的结构具有很低的功耗，这样可以抵御外部潜在的噪音干扰。再次声明，噪声模型与设计架构之间的一致性可以支持物理层拥有同样水平的EMC 性能前提下，降低物理层收发器的功耗。白皮书10References1 iCC (international CAN Conference), organised by CAN in Automation (more details on http:/www.can-cia.org/index.php?id=1846)2 IEC62132-4 (Direct Power Injection method) and ISO11452-4 (Bulk Cur

25、rent Injection)361000-4-2:2008 Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4-2: testing and measurement techniques electrostatic discharge immunity test. Ed 2.0, 2008-124ISO 10605:2008 Road vehicles test methods for electrical disturbances from ESD, Ed 2.0, 2008-075 ESD TR5.6-01-09 Human Metal Model (H

26、MM), Working Group 5.6, Human Metal Model, ESD Associationpproaches ” , Industry Council on ESD Target Levels, December 2010.7 JEDEC PUBLICATION - JEP161 - System Level ESD - Part 1: Common Misconceptions and Recommended Basic Approaches - Jan 2011.8 IEC61967 - Electromagnetic Emission for Integrate

27、d Circuits.ContactsDavid LopezFreescale134, Avenue du Gal Eisenhower MB7232931023 Toulouse Cedex France+33 6 75 21 75 99+33 5 61 19 93 92david.c.lopezPhilippe MounierFreescale134, Avenue du Gal Eisenhower MB7232931023 Toulouse Cedex France+33 6 07 36 30 47+33 5 61 19 93 54Philippe.mounier欲了解更多详细信息，敬请访问以下网址：Freescale 、 Freescale 标识是飞思卡尔半导体公司在美国和其他国家的商标或注册商标。飞思卡尔、飞思卡尔标识是飞思卡尔半导体公司在中国的注册商标。所有其它产品和服务名称之所有权均归其相应所有人。 ? 飞思卡尔半导体公司 2014 年版权所有。文档编号： CANWP REV 12014 年6月