汽車網(wǎng)絡(luò)用數(shù)據(jù)線扼流圈改善電磁兼容研究

由愛普科斯生產(chǎn)的控制器局域網(wǎng)(CAN)總線扼流圈可防止汽車網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的電磁兼容性(EMC)問題，從而提高安全性。FlexRay聯(lián)盟已確認(rèn)SIMDAD 1812為合格測試用參考型號(hào)。

近年來，汽車內(nèi)的電子設(shè)備比例在顯著增長。這一趨勢的發(fā)展使更多功能加入進(jìn)來，用以提高汽車的安全性、效率、可靠性和便利性，并降低排放。與此相對(duì)應(yīng)的便是針對(duì)總線系統(tǒng)提出的日益增加的要求：確保在最多樣化的控制單元之間實(shí)施可靠通信。特別是經(jīng)由總線系統(tǒng)如控制器局域網(wǎng)(CAN)或FlexRay系統(tǒng)控制的對(duì)安全性至關(guān)重要的應(yīng)用，必須滿足最高的電磁兼容性規(guī)格。數(shù)據(jù)線中的共模扼流圈(CMC)可加強(qiáng)對(duì)由電磁兼容性問題所導(dǎo)致的故障的防護(hù)。

當(dāng)代機(jī)動(dòng)車輛控制功能的復(fù)雜性在于三點(diǎn)：更快的數(shù)據(jù)速率、確定時(shí)延性能以及故障容錯(cuò)功能。以成本考量為主的功能或多媒體功能由LIN(局域互連網(wǎng))或MOST(媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸)總線進(jìn)行連接，而CAN或FlexRay總線系統(tǒng)則用于對(duì)安全至關(guān)重要的功能，比如引擎控制、ABS系統(tǒng)以及氣囊等。CAN和FlexRay采用雙絞線，具確定時(shí)延性，可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)速率(CAN總線：1 Mbit/s；FlexRay總線：10 Mbit/s)。這兩種總線系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)傳送協(xié)議均已經(jīng)過優(yōu)化，可確保高度可靠性。不過，鑒于現(xiàn)代車輛逐漸增加的復(fù)雜性，單獨(dú)憑借上述措施并不能徹底防止電磁兼容性問題導(dǎo)致的故障。

數(shù)據(jù)線扼流圈幾乎存在于所有現(xiàn)代汽車中。沒有數(shù)據(jù)線扼流圈，就無法確保汽車電子設(shè)備的電磁兼容性和無故障運(yùn)轉(zhuǎn)。愛普科斯現(xiàn)可供應(yīng)能夠滿足汽車具體要求的、具有不同封裝尺寸和版本的各種型號(hào)產(chǎn)品。B82789系列扼流圈專用于功能強(qiáng)大的汽車總線系統(tǒng)，比如CAN或FlexRay。當(dāng)上述扼流圈應(yīng)用到數(shù)據(jù)線上時(shí)，就能抑制耦合干擾并防止數(shù)據(jù)總線發(fā)出干擾。該系列產(chǎn)品的工作電壓為42 VAC或80V DC，扼流圈的額定電感介于11至100mH之間，額定電流介于150~300 mA之間。

圖1 電磁兼容性測量(于測試板上實(shí)施)，這一測試結(jié)構(gòu)用于電磁干擾測量與總線扼流圈效果的測定

總線扼流圈

汽車總線系統(tǒng)必須符合高級(jí)電磁兼容性要求：針對(duì)瞬變、靜電放電(ESD)及電磁干擾(EMI)的抗擾度。但是，總線系統(tǒng)不能干擾其它電子元件，也就是說，必須最小化干擾輻射。不過，隨著車輛內(nèi)部電子設(shè)備比例的增加，無法在所有條件下預(yù)先測試電磁兼容性，這就存在出故障乃至控制裝置受損的風(fēng)險(xiǎn)。愛普科斯數(shù)據(jù)線扼流圈促進(jìn)了上述問題的解決。

通常，必須要區(qū)別差模和共模干擾。差模干擾與數(shù)據(jù)信號(hào)重合，而共模干擾則是對(duì)地的，它源于不平衡性和寄生效應(yīng)。為最小化共模干擾，必須特別注意總線信號(hào)線的布線、終端濾波器、連接器、以及電路板本身。穿通接頭或連接接頭的寄生電容和電感，以及總線信號(hào)引線在電路板上的布局都可能會(huì)引起不對(duì)稱性，并產(chǎn)生共模干擾。

常用于測L定射頻影響電磁兼容性的方法是Te直接射頻功率注入(DPI)法：將來自信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)(最高可達(dá)36 dBm)耦合到總線引線中，并觀察信號(hào)輸出。如果發(fā)生故障，就記錄接入信號(hào)的信號(hào)電平。針對(duì)有關(guān)范圍內(nèi)的每一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率逐步重復(fù)這一流程。一個(gè)特定的總線結(jié)構(gòu)的射頻干擾輻射是通過測試接收機(jī)決定的，用它來測量總線及所有輸入輸出處的共模電壓。

在采用和未采用愛普科斯扼流圈的情況下，我們采用DPI方法分別在測試板上進(jìn)行射頻抗擾性和干擾輻射測量。從圖2和圖3中可以看出CAN總線相應(yīng)結(jié)果。顯然，B82789共模扼流圈的使用大大改善了射頻抗擾性。同時(shí)，扼流圈在數(shù)據(jù)線中的使用也大大減少了干擾輻射。

數(shù)據(jù)線扼流圈可以顯著提高CAN總線系統(tǒng)的可靠性。這就是為什么歐洲汽車制造商要求使用數(shù)據(jù)線扼流圈的原因。盡管較高電感的扼流圈會(huì)由于較高的衰減產(chǎn)生較好的電磁兼容性，但要選擇最合適的扼流圈，就必須還要考慮雜散電感、信號(hào)完整性、接地漂移以及引線的堅(jiān)固性等因素。愛普科斯B82789系列的電感范圍為11到100mH。

FlexRay電磁兼容性與電磁干擾

FlexRay是一個(gè)串行的、具確定時(shí)延和故障容錯(cuò)的總線系統(tǒng)。FlexRay由FlexRay聯(lián)盟 (FlexRay Consortium)定義。FlexRay聯(lián)盟于2000由寶馬公司(BMW)、摩托羅拉(現(xiàn)在是飛思卡爾，F(xiàn)reescale)和菲利普(現(xiàn)在是恩智浦，NXP)、博世(Bosch)、通用汽車、大眾汽車公司創(chuàng)建，其它公司后來加入。FlexRay的設(shè)計(jì)旨在滿足未來汽車網(wǎng)絡(luò)的更高要求，特別是快速數(shù)據(jù)速率、實(shí)時(shí)響應(yīng)能力以及故障容錯(cuò)性能。不過，目前的焦點(diǎn)是更快的數(shù)據(jù)速率。

物理層應(yīng)用指南明確指出了對(duì)FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線扼流圈的總體要求，比如引線電阻(1W)、電感(>50 mH)以及雜散電感(1mH)。對(duì)電磁輻射和電磁干擾的測定與CAN總線一樣。不過，由于10 Mbit／s的更高傳輸率，需要更加仔細(xì)地檢查信號(hào)完整性。圖4所示為對(duì)具有各種電感的扼流圈與不使用扼流圈的測試板進(jìn)行DPI測定的相應(yīng)評(píng)估結(jié)果。圖五所示為使用另一塊測試板進(jìn)行電磁干擾測量的結(jié)果，同樣是針對(duì)具有不同電感的扼流圈。很明顯可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)線扼流圈的使用改善了電磁兼容性并減少了干擾輻射。當(dāng)電感更高時(shí)，作用就更大。不過，更高的電感值會(huì)對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

眼圖適于研究FlexRay的信號(hào)完整性。如果數(shù)據(jù)信號(hào)的曲線在陰影范圍外，數(shù)據(jù)傳輸即可得以保障。這些要求可以通過使用電感為100mH的B82789C0104扼流圈來實(shí)現(xiàn)(見圖6)。鑒于這些電磁兼容性測量的結(jié)果及對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的影響可忽略不計(jì)的事實(shí)(即信號(hào)完整性可得到保障)，愛普科斯B82789C0104 N002(雙線繞組)扼流圈被選作FlexRay物理層合格測試的參考型號(hào)。

圖6 信號(hào)測量，B82789C0104扼流圈的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與FlexRay物理層規(guī)范一致的最佳信號(hào)完整性。該扼流圈隨后被選作合格測試的參考型號(hào)

模型程序庫為產(chǎn)品開發(fā)提供方便

愛普科斯目前可以提供適當(dāng)?shù)哪M模型以提高采用新式扼流圈的設(shè)計(jì)的效率。為此，扼流圈在整個(gè)相關(guān)頻率范圍的電特性已定義并包括在相應(yīng)的模型中。因?yàn)榻K端電容和電感以及連接的電阻都取決于用戶設(shè)計(jì)，所以并沒有包括在模型內(nèi)。客戶不必進(jìn)行費(fèi)時(shí)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就可評(píng)估扼流圈的功能。愛普科斯現(xiàn)可供應(yīng)用于初次設(shè)計(jì)評(píng)估的簡易模型，此類模型能夠?qū)崿F(xiàn)快速和精確的模擬。高級(jí)模型能夠提供更精確的模擬結(jié)果，不過需要較長的模擬時(shí)間。