Telematics車載終端CAN通訊收發電路的電磁兼容性設計

周立夫，金曉華，劉晨曦，倪如金，劉祎

（1.德賽西威汽車電子公司前期研發部南京分部，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211100）

Telematics車載終端CAN通訊收發電路的電磁兼容性設計

周立夫1，金曉華2，劉晨曦1，倪如金1，劉祎1

（1.德賽西威汽車電子公司前期研發部南京分部，江蘇 南京 211100；

2.南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211100）

CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一。如今，在汽車電子領域，CAN總線的應用越來越普及。文章主要以恩智浦公司高速CAN收發器TJA1043系列為對象，在介紹其基本結構和特點的基礎上，應用TJA1043作為CAN收發器設計了一款車載Telematics終端盒CAN通訊模塊，并重點介紹CAN收發電路在硬件和PCB方面的電磁兼容性設計。

TJA1043；TBOX；CAN總線；收發器；電磁兼容性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.028

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-80-04

引言

CAN-bus（Controller Area Network）即控制器局域網，最初出現在80年代末的汽車工業中，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出通訊過程中產生的錯誤。在信號傳輸距離達到10km時，CAN-bus仍可提供高達50kbps的數據傳輸速率。由于CAN通訊總線具有這些特性，它被廣泛應用在交通、國防、工程、機械、紡織、數控、醫療，機器人等領域。

近年來，Telematics（即車聯網）在車身上的應用越來越普遍，在Telematics終端盒（Telematics BOX，下文縮寫為TBOX）項目應用中，TBOX通過CAN總線通訊，獲得車身內數據（比如油量、速度、方向盤轉角等），再通過移動通信網絡，將這些數據發送到后臺服務器，以便進一步加工處理，如遠程診斷、監控等功能。同時TBOX也可以通過CAN總線，按照預定協議，執行控制動作，如開/關車窗和空調、遠程升級車身上一些ECU（Electrical Control Unit）的固件等。由此可見，在TBOX項目中，CAN總線成為了TBOX和車身內各控制單元之間溝通的重要橋梁。

CAN收發器是控制器局域網中協議控制器和CAN物理總線之間的接口，恩智浦（NXP）公司早期的高速CAN收發器主要是TJA1040和TJA1041，相比TJA1040，TJA1041增加了一種工作模式，即睡眠（Sleep）模式，能滿足更苛刻的靜態電流設計要求。后來，在 TJA1041的基礎上，NXP又推出一款升級的芯片，即TJA1043，該芯片在TJA1041基礎上優化了EMC（ElectroMagnetic Compatibility）以及ESD（ElectroMagnetic Discharge）性能，具有更低的功率損耗，允許當車身點火信號關閉時，使CAN總線仍然能被喚醒的能力。在睡眠狀態時TJA1043的待機電流可低至20uA左右。能較好的應用在對靜態電流要求較苛刻的產品設計中。TJA1043系列收發器主要用于車身內部網絡最高達1Mbps的CAN通訊模塊中，最多支持連接32個節點。其內部結構如下圖1所示[1]。

TJA1043芯片為SO14腳封裝，其管腳定義如下表1所示。

在正常操作模式下（沒有線路故障），TBOX通過CANH和CANL與車身總線相連，經過TJA1043之后，再轉換成RXD/TXD信號，與TBOX內的微處理器進行通訊。

TJA1043帶自診斷和自保護功能。如：

（1）具有診斷功能的發送數據（TXD）顯性超時；

（2）具有診斷功能的TXD對RXD短路處理；

（3）熱保護；

（4）VCC、VIO和VBAT 的欠壓檢測和恢復；

（5）總線線路短路診斷；

（6）總線箝位診斷；

（7）冷啟動（首次連接電池）。

表1 TJA1043管腳定義

1、硬件設計應用

在應用TJA1043系列收發器設計CAN通訊收發模塊時，為了得到較好的效果，在硬件設計方面，建議遵循一些基本原則，如下圖2所示。

這是采用TJA1043設計的TBOX的CAN收發器的模塊電路。在該模塊電路中，包含三路電源：KL30A（在汽車電子應用中，即蓄電池電壓，在經過保護處理之后的電壓）和VCC（5V供電電源）電壓和VIO（3.3V供電電源）、CANH/ CANL終端匹配電阻、EMC輔助元器件等。因篇幅所限，電路設計圖中VIO和VCC的產生以及兩路LDO的控制未完全體現該部分電路設計中，圖中僅以方框表示，以下將介紹各電路元器件參數選擇及應用考慮事項等。

1.1終端匹配電阻阻值計算

實際應用時，需在CANH和CANL上加終端電阻，如圖2TJA1043應用于TBOX終端中的模塊電路所示的R106、R107、R106+R107電阻的配置值須符合SAE J2284-3[2]的規定，即兩電阻的名義值須在60Ω～62Ω之間。同時，當CANH或CANL一旦與車身電池電壓之間發生短路連接時，大電流瞬時經過這兩個電阻，所以一般電阻封裝選用 1206封裝的電阻。

為了保證同一節點的CANH和CANL上差分信號的完整對稱性，需考慮匹配在同一節點上CANH和CANL的終端電阻的完全一致性，一般選取1%誤差的相同的電阻。

考慮總線上有多個子節點，如下圖 3[3]所示為一假設 8子節點和兩個終端節點時，CAN總線網絡的終端匹配電阻，這時，每個子節點的終端匹配電阻典型值一般取 1.3kΩ。在圖2所設計的TBOX終端CAN通訊模塊電路中，R106，R107選取1%誤差的60.4 Ω的電阻。

1.2RBAT的選擇

在汽車TBOX的應用中，通常將BAT管腳（芯片第14腳）直接連接到蓄電池電壓輸出端，TBOX終端中定義的電池電壓為12V（或24V），如設計產品需要依照汽車電源暫態傳導干擾試驗標準ISO7637-2做脈沖干擾試驗中的脈沖5a實驗項目時（圖4 脈沖5a波形所示為脈沖5a實驗的波形[4]，表2脈沖5a波形參數定義為5a波形對應的參數信息），由于高達68V的電池電壓將加在該管腳，持續時間長達幾百毫秒，而該芯片RBAT管腳能持續忍受的最大電壓僅為40V，因此，需串聯一個電阻RBAT（即圖2所示的R108）。否則，在EMC試驗的脈沖實驗中，CAN收發器芯片的BAT管腳將直接承受68V的電壓沖擊，瞬間產生閂鎖效應(latch up)，進而燒毀芯片，一般推薦串聯一個1k～5k的電阻。同時，在靠近VBAT腳接一個10NF左右的對地的電容，見圖2所示電路中C104，C104和C108構成一路低通濾波器，能有效改善該管腳的抗電磁干擾能力。

1.3CAN總線串聯共模電感

在EMC要求比較高場合中，為提高抗干擾能力，需在CANH和CANL上串聯一個共模電感，一般為10～100微亨[3,5]。共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，原理是流過共模電流時，磁環中的磁通相互疊加，從而具有相當大的電感量，對共模電流起到抑制作用，而當兩線圈中流過差模電流時，磁環中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中 能有效地抑制共模干擾信號，而對線路正常傳輸的差模信號無影響。實際設計時，基于成本考慮，可用兩個零歐姆電阻替代共模電感；EMC實驗過程中，如果發現 CAN受到干擾，測試項不通過時，再將零歐姆電阻改用共模電感替代做測試，以改善該模塊的EMC效果。

表2 脈沖5a波形參數定義

1.4基于ESD考慮的一些輔助器件

TJA1043內部集成了ESD (Electrostatic Discharge)保護電路，該芯片具有2KV的ESD保護能力。將該芯片應用于電路板上，由于額外的因走線及連接器產生的等效容性負載，ESD效果相對較好；但是在 ESD要求更高的場合，如汽車電子中應用中，按照 ISO10605標準要求，當接觸放電要求4KV或以上時，需額外增加一些輔助 ESD元器件，如圖 2所示電路中的C101、C102以及D101和D102等。

一般考慮C101=C102，取100pF～330pF；D101和D102為齊納二極管，考慮選取其飽和壓降需大于最大總線直流電壓，通常取小于（或等于）27V的齊納二極管或壓敏電阻。

1.5本地喚醒腳電路設計

所以，算出R109.min阻值約為2.67KΩ，圖2中設計取值為3.3KΩ。

圖2中R110目的是為了保證在沒有本地激活信號（即圖2所示電路中Q102不導通）時，WAKE腳信號必須保證是高電平，即滿足：

算出：

在圖2TJA1043應用于TBOX終端中的模塊電路設計中，R110取值為47KΩ。

1.6PCB設計考慮

在進行 PCB布線時，考慮到電磁抗干擾性要求，對于CAN通訊模塊要注意以下幾點：

（1）將收發器模塊靠近CAN控制器放置，使RXD/TXD走線盡可能短；

（2）CANH和CANL走線長度保持一致，布線時，設置成差分線模式，兩根線之間間距保持一致，且線間不能插入地線；

（3）如電路中添加了共模電感，則電路中電壓尖峰抑制模塊（如圖2 TJA1043應用于TBOX終端中的模塊電路所示Z1、Z2和Z3）放置在收發器和共模電感之間，確保能抑制當總線故障時，由于共模電感的電感效應所產生的尖峰暫態脈沖[5]；

（4）ESD保護器件（如圖2TJA1043應用于TBOX終端中的模塊電路所示C3和C4）盡量放在靠近CANH/CANL差分信號輸入/輸出位置，確保外部感應的的 ESD能量在第一時間被過濾掉；

（5）去耦電容（如圖2TJA1043應用于TBOX終端中的模塊電路所示C1和C2）靠近收發器電源管腳；

（6）PCB走線設計時，確保地回路盡可能粗且短。

2、軟件操作模式

TJA1043 CAN收發器具備五種工作模式，分別是監聽模式、正常工作模式、低功耗模式、進入休眠狀態以及休眠模式。通過設置芯片管腳/STB和EN管腳的不同狀態組合進入或退出各工作模式[1]，下圖5為各模式切換的狀態圖。

相比常規CAN收發器，TJA1043多了休眠模式，在此工作模式下，芯片管腳INH切換到高阻抗狀態，釋放外部電壓調節器，關斷VIO和VCC。此時芯片消耗的電流低至幾微安，且帶遠程CAN消息喚醒功能。

3、結論

具備自診斷功能的高速CAN收發器TJA1043，因其較好的電磁抗干擾能力，極低的靜態待機功耗，使其在汽車電子領域的高速CAN總線設計中得到廣泛應用。本文總結了使用該芯片設計車載Telematic終端盒的CAN通訊收發模塊過程中，關于電磁抗干擾方面一些心得體會及注意事項，在使用該芯片設計CAN通訊模塊時，遵循上述設計原則，將有助于獲得較好的CAN通訊和EMC效果。

[1] TJA1043 High-speed CAN transceiver,Rev.00.06-29 June 2009.

[2] SAE J2284-3 2002 High Speed CAN(HSC) for Vehicle Applications at 500kbps.

[3] TR1014 Application Hints-Standalone high speed CAN transceiver TJA1042/TJA1043/TJA1048/TJA1051.

[4] International standard, 7637-2:2004[E].

[5] "Common Mode Chokes in CAN Networks", Source of Unexpected Transients. Texax Instruments. Application Report, SLLA271-Janu -ary 2008.

[6] International standard, 11898-3:2003[E].

[7] ISO10605 Road Vehicle-Test methods for electrical disturbances from electrostatic discharge.

The EMC Design of Transceiver Module for CAN Communication in an Automotive Telematics BOX

Zhou Lifu1, Jin Xiaohua2, Liu Chenxi1, Ni Rujin1, Liu Yi1
(1.Nanjing Center, Advanced Development Central Technology, Desay SV Automotive Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211100; 2.School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Jiangsu Nanjing 211100)

CAN bus (Controller Area Network) is one of the most popular application field buses in the world, and today it is widely used in automotive engineering field. The structure and its metrits for fault-tolerant transceiver series named TJA1043 which is developed by NXP Corporation is introduced in this paper, and some application notes especially from hardware aspect and EMC consideration are also referred, furthermore, a CAN transceiver module which developed using TJA1043 has been implemented in an automotive Telematics control unit.

TJA1043; TBOX; CAN bus; Transceiver; EMC

U467.4

A

1671-7988（2015）09-80-04

周立夫，就職于德賽西威汽車電子公司前期研發部南京分部。