基于汽车CAN 总线BCI 共模电压跌落研究

曹德友， 李郎尼， 李 钱， 伍文超

（温州长江汽车电子有限公司， 浙江 温州 325000）

BCI是Bulk Current Injection缩写， 是机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法。 一般汽车电子主机厂会要求在BCI注入时测试两种不同的波形， 分别是连续波 （CW） 与调制幅度为80%的调制波 （AM） 来模拟环境对汽车电子电器组件的干扰。

TVS管 （Transient Voltage Suppressor） 是一种常见的浪涌抑制元件， 它具有响应时间快、 瞬态功率大、 漏电流低、击穿电压偏差小及钳位电压容易控制等多个优点。 TVS管进行浪涌抑制的原理是当它受到反向高能量冲击时， 它能以极快的速度 （可达10~12s级）， 将其两极间的阻抗由高变低， 使两极间的电压钳位于可接受的范围， 从而有效保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。

1 CAN总线共模电压跌落现象

在BCI测试实验中， 使用示波器测试CAN总线上的共模电压。 在正常情况下CAN总线上输出的共模电压约2.39V（图1）。 在1~30MHz频谱扫描注入中， 共模电压在某特定频点出现跌落现象， 电压跌至888mV （图2）。 本研究就是针对该现象进行实验、 模拟和仿真， 得出现象原因与解决方案。

图1 正常情况下共模电压信号2.39V

图2 在某一频点电压跌落至888mV

2 TVS管简介

汽车电子产品CAN总线设计中， 我们通常使用TVS管对CAN、 LIN电路进行保护 （伏安特性如图3所示）。 特别是PESD1CAN （适用CAN电路） 和PESD1LIN （适用LIN电路）较多。 PESD1CAN 是三端器件， 双向雪崩电压相同， 为27.8V； PESD1LIN是两端器件， 双向雪崩电压不同， 分别为18.9V与27.8V， 器件结构如图4所示。

图3 双向TVS管IV特性图

图4 PESD1CAN（左）和PESD1LIN结构图（右）

3 共模电压跌落实验

第1章中提出了BCI试验中CAN总线共模电压跌落问题，经过一系列的实验， 最终发现共模电压跌落原因是DUT（Design Under Test） 上TVS管雪崩引起。 在后续的研究中，针对TVS管引起电压跌落的问题进行实验、 仿真、 模拟和验证。 本章所做实验的目的是验证该结论的正确性。 实验分组与测试结果如表1所示。

表1 实验分组与测试结果

测试结果说明， 第1组为标准CAN总线TVS管设计， 参数作为对照数据； 第2组实验发现共模电压依然跌落， TVS雪崩电压为27.8V； 第3组实验2个PESD1CAN分别接在CAN总线上 （GND悬空）， 雪崩电压提升至55.6V， 实验中未见明显跌落现象； 第5组与第6组实验是2个PESD1LIN串联接在CAN总线上， 实验结果发现均有较为明显的共模电压跌落现象， 对比说明雪崩电压越低，电压跌落的现象越为明显。 第4 组 与 第7 组 实验， TVS GND端悬空，TVS管也失去作用， 所以未见明显跌落现象。

4 共模电压跌落的仿真模拟

本章使用MATLAB的Simulink 仿真软件建立CAN总线共模电压跌落的仿真模拟图， 模拟框图见图5， 电路原理仿真模拟图见图6， 其中DUT 部分主要考虑TVS管与线上电容。

图5 CAN总线仿真模拟框图

图6 CAN总线电路原理仿真模拟图

CAN总线的信号发生器原理是： 2个三极管共通共止，在2个三极管导通时， CAN总线上的负载电阻分压获得高低电平， 在2个三极管截止时， 此时CAN总线上维持在2.5V。图7是本研究的仿真模拟图， 在BCI注入为0， TVS管雪崩电压超过线上电压时获得的CAN总线上正常情况下的电压信号图。 其中考虑电源内阻和测量误差情况下， CAN总线的共模电压约为2.44V， 与本研究实验前测试CAN总线电压2.39V （图1） 实测结果大致相符， 印证仿真电路正确， 为后续测试做好铺垫。

图7 CAN总线的正常输出信号图

电路仿真模拟TVS管在雪崩情况下， CAN总线上的电压信号改变， 模拟参数设定见表2， 仿真结果见表3。 4组分别进行仿真模拟输出波形图如图8~图11所示。 4张图中的CAN差模信号图可以发现TVS管的崩溃不会影响到正常的信号通信。 从CAN共模信号图可以发现TVS管的雪崩引起了共模电压的跌落， 符合之前实验结果提出的假设。 从第1、 2组实验的对比得出在TVS管双向雪崩电压相同的情况下， 雪崩电压越小， 则CAN总线共模电压跌落越明显； 从第1、 3、4组实验的对比得出结果， 在TVS管的正向雪崩而负向不雪崩情况下， CAN总线上的共模电压跌落非常明显， 可以跌至负电压值。

表2 模拟仿真参数设定表格

表3 模拟仿真结果表格

图8 第1组模拟信号图

图9 第2组模拟信号图

图10 第3组模拟信号图

图11 第4组模拟信号图

5 结论

本文对EMC测试中BCI注入实验出现的CAN总线共模电压跌落问题进行研究， 经过实验与仿真模拟验证， 得出在DUT的TVS管崩溃情况下出现CAN总线共模电压跌落， 且在TVS管雪崩情况下， CAN总线仍能正常通信。

从研究还可以得出TVS管的雪崩电压越小即TVS管越易雪崩， 则CAN总线上的共模电压跌落越明显。 在TVS管正向雪崩而负向不雪崩的情况下， CAN总线上的共模电压跌落尤为明显， 可至负电压值。

在第3章的CAN总线共模电压跌落实验中， 我们发现加大TVS管模拟电路后的EMC电容C3与C4的电容值， CAN总线上的共模电压不再跌落。 原因是在加大电容的情况下，CAN总线上的滤波效果更好， 使得BCI注入的AC信号减弱，所以TVS管不易雪崩。

在实际汽车电子产品设计过程中， 诸如通用、 大众、上汽、 北汽、 广汽、 特斯拉等客户为保证整车CAN总线信号的一致性和稳定性， 一般针对CAN物理层设计都有明确相关标准或规范， 我们实际产品设计过程中需要进行符合性检查， 以保证产品符合客户要求。