基于汽車CAN 總線BCI 共模電壓跌落研究

曹德友， 李郎尼， 李 錢， 伍文超

（溫州長江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325000）

BCI是Bulk Current Injection縮寫， 是機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法。 一般汽車電子主機廠會要求在BCI注入時測試兩種不同的波形， 分別是連續(xù)波 （CW） 與調(diào)制幅度為80%的調(diào)制波 （AM） 來模擬環(huán)境對汽車電子電器組件的干擾。

TVS管 （Transient Voltage Suppressor） 是一種常見的浪涌抑制元件， 它具有響應時間快、 瞬態(tài)功率大、 漏電流低、擊穿電壓偏差小及鉗位電壓容易控制等多個優(yōu)點。 TVS管進行浪涌抑制的原理是當它受到反向高能量沖擊時， 它能以極快的速度 （可達10~12s級）， 將其兩極間的阻抗由高變低， 使兩極間的電壓鉗位于可接受的范圍， 從而有效保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。

1 CAN總線共模電壓跌落現(xiàn)象

在BCI測試實驗中， 使用示波器測試CAN總線上的共模電壓。 在正常情況下CAN總線上輸出的共模電壓約2.39V（圖1）。 在1~30MHz頻譜掃描注入中， 共模電壓在某特定頻點出現(xiàn)跌落現(xiàn)象， 電壓跌至888mV （圖2）。 本研究就是針對該現(xiàn)象進行實驗、 模擬和仿真， 得出現(xiàn)象原因與解決方案。

圖1 正常情況下共模電壓信號2.39V

圖2 在某一頻點電壓跌落至888mV

2 TVS管簡介

汽車電子產(chǎn)品CAN總線設計中， 我們通常使用TVS管對CAN、 LIN電路進行保護 （伏安特性如圖3所示）。 特別是PESD1CAN （適用CAN電路） 和PESD1LIN （適用LIN電路）較多。 PESD1CAN 是三端器件， 雙向雪崩電壓相同， 為27.8V； PESD1LIN是兩端器件， 雙向雪崩電壓不同， 分別為18.9V與27.8V， 器件結構如圖4所示。

圖3 雙向TVS管IV特性圖

圖4 PESD1CAN（左）和PESD1LIN結構圖（右）

3 共模電壓跌落實驗

第1章中提出了BCI試驗中CAN總線共模電壓跌落問題，經(jīng)過一系列的實驗， 最終發(fā)現(xiàn)共模電壓跌落原因是DUT（Design Under Test） 上TVS管雪崩引起。 在后續(xù)的研究中，針對TVS管引起電壓跌落的問題進行實驗、 仿真、 模擬和驗證。 本章所做實驗的目的是驗證該結論的正確性。 實驗分組與測試結果如表1所示。

表1 實驗分組與測試結果

測試結果說明， 第1組為標準CAN總線TVS管設計， 參數(shù)作為對照數(shù)據(jù)； 第2組實驗發(fā)現(xiàn)共模電壓依然跌落， TVS雪崩電壓為27.8V； 第3組實驗2個PESD1CAN分別接在CAN總線上 （GND懸空）， 雪崩電壓提升至55.6V， 實驗中未見明顯跌落現(xiàn)象； 第5組與第6組實驗是2個PESD1LIN串聯(lián)接在CAN總線上， 實驗結果發(fā)現(xiàn)均有較為明顯的共模電壓跌落現(xiàn)象， 對比說明雪崩電壓越低，電壓跌落的現(xiàn)象越為明顯。 第4 組 與 第7 組 實驗， TVS GND端懸空，TVS管也失去作用， 所以未見明顯跌落現(xiàn)象。

4 共模電壓跌落的仿真模擬

本章使用MATLAB的Simulink 仿真軟件建立CAN總線共模電壓跌落的仿真模擬圖， 模擬框圖見圖5， 電路原理仿真模擬圖見圖6， 其中DUT 部分主要考慮TVS管與線上電容。

圖5 CAN總線仿真模擬框圖

圖6 CAN總線電路原理仿真模擬圖

CAN總線的信號發(fā)生器原理是： 2個三極管共通共止，在2個三極管導通時， CAN總線上的負載電阻分壓獲得高低電平， 在2個三極管截止時， 此時CAN總線上維持在2.5V。圖7是本研究的仿真模擬圖， 在BCI注入為0， TVS管雪崩電壓超過線上電壓時獲得的CAN總線上正常情況下的電壓信號圖。 其中考慮電源內(nèi)阻和測量誤差情況下， CAN總線的共模電壓約為2.44V， 與本研究實驗前測試CAN總線電壓2.39V （圖1） 實測結果大致相符， 印證仿真電路正確， 為后續(xù)測試做好鋪墊。

圖7 CAN總線的正常輸出信號圖

電路仿真模擬TVS管在雪崩情況下， CAN總線上的電壓信號改變， 模擬參數(shù)設定見表2， 仿真結果見表3。 4組分別進行仿真模擬輸出波形圖如圖8~圖11所示。 4張圖中的CAN差模信號圖可以發(fā)現(xiàn)TVS管的崩潰不會影響到正常的信號通信。 從CAN共模信號圖可以發(fā)現(xiàn)TVS管的雪崩引起了共模電壓的跌落， 符合之前實驗結果提出的假設。 從第1、 2組實驗的對比得出在TVS管雙向雪崩電壓相同的情況下， 雪崩電壓越小， 則CAN總線共模電壓跌落越明顯； 從第1、 3、4組實驗的對比得出結果， 在TVS管的正向雪崩而負向不雪崩情況下， CAN總線上的共模電壓跌落非常明顯， 可以跌至負電壓值。

表2 模擬仿真參數(shù)設定表格

表3 模擬仿真結果表格

圖8 第1組模擬信號圖

圖9 第2組模擬信號圖

圖10 第3組模擬信號圖

圖11 第4組模擬信號圖

5 結論

本文對EMC測試中BCI注入實驗出現(xiàn)的CAN總線共模電壓跌落問題進行研究， 經(jīng)過實驗與仿真模擬驗證， 得出在DUT的TVS管崩潰情況下出現(xiàn)CAN總線共模電壓跌落， 且在TVS管雪崩情況下， CAN總線仍能正常通信。

從研究還可以得出TVS管的雪崩電壓越小即TVS管越易雪崩， 則CAN總線上的共模電壓跌落越明顯。 在TVS管正向雪崩而負向不雪崩的情況下， CAN總線上的共模電壓跌落尤為明顯， 可至負電壓值。

在第3章的CAN總線共模電壓跌落實驗中， 我們發(fā)現(xiàn)加大TVS管模擬電路后的EMC電容C3與C4的電容值， CAN總線上的共模電壓不再跌落。 原因是在加大電容的情況下，CAN總線上的濾波效果更好， 使得BCI注入的AC信號減弱，所以TVS管不易雪崩。

在實際汽車電子產(chǎn)品設計過程中， 諸如通用、 大眾、上汽、 北汽、 廣汽、 特斯拉等客戶為保證整車CAN總線信號的一致性和穩(wěn)定性， 一般針對CAN物理層設計都有明確相關標準或規(guī)范， 我們實際產(chǎn)品設計過程中需要進行符合性檢查， 以保證產(chǎn)品符合客戶要求。