汽車網(wǎng)絡用數(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SIMDAD 1812為合格測試用參考型號。

近年來，汽車內(nèi)的電子設備比例在顯著增長。這一趨勢的發(fā)展使更多功能加入進來，用以提高汽車的安全性、效率、可靠性和便利性，并降低排放。與此相對應的便是針對總線系統(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)控制的對安全性至關重要的應用，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)可加強對由電磁兼容性問題所導致的故障的防護。

當代機動車輛控制功能的復雜性在于三點：更快的數(shù)據(jù)速率、確定時延性能以及故障容錯功能。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(媒體導向系統(tǒng)傳輸)總線進行連接，而CAN或FlexRay總線系統(tǒng)則用于對安全至關重要的功能，比如引擎控制、ABS系統(tǒng)以及氣囊等。CAN和FlexRay采用雙絞線，具確定時延性，可實現(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雜性，單獨憑借上述措施并不能徹底防止電磁兼容性問題導致的故障。

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備的電磁兼容性和無故障運轉。愛普科斯現(xiàn)可供應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產(chǎn)品。B82789系列扼流圈專用于功能強大的汽車總線系統(tǒng)，比如CAN或FlexRay。當上述扼流圈應用到數(shù)據(jù)線上時，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(于測試板上實施)，這一測試結構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)必須符合高級電磁兼容性要求：針對瞬變、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)部電子設備比例的增加，無法在所有條件下預先測試電磁兼容性，這就存在出故障乃至控制裝置受損的風險。愛普科斯數(shù)據(jù)線扼流圈促進了上述問題的解決。

通常，必須要區(qū)別差模和共模干擾。差模干擾與數(shù)據(jù)信號重合，而共模干擾則是對地的，它源于不平衡性和寄生效應。為最小化共模干擾，必須特別注意總線信號線的布線、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，以及總線信號引線在電路板上的布局都可能會引起不對稱性，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：將來自信號發(fā)生器的信號(最高可達36 dBm)耦合到總線引線中，并觀察信號輸出。如果發(fā)生故障，就記錄接入信號的信號電平。針對有關范圍內(nèi)的每一個對應頻率逐步重復這一流程。一個特定的總線結構的射頻干擾輻射是通過測試接收機決定的，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總線相應結果。顯然，B82789共模扼流圈的使用大大改善了射頻抗擾性。同時，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、信號完整性、接地漂移以及引線的堅固性等因素。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是一個串行的、具確定時延和故障容錯的總線系統(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的設計旨在滿足未來汽車網(wǎng)絡的更高要求，特別是快速數(shù)據(jù)速率、實時響應能力以及故障容錯性能。不過，目前的焦點是更快的數(shù)據(jù)速率。

物理層應用指南明確指出了對FlexRay網(wǎng)絡數(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，需要更加仔細地檢查信號完整性。圖4所示為對具有各種電感的扼流圈與不使用扼流圈的測試板進行DPI測定的相應評估結果。圖五所示為使用另一塊測試板進行電磁干擾測量的結果，同樣是針對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。當電感更高時，作用就更大。不過，更高的電感值會對信號完整性產(chǎn)生一定的負面影響。

眼圖適于研究FlexRay的信號完整性。如果數(shù)據(jù)信號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扼流圈來實現(xiàn)(見圖6)。鑒于這些電磁兼容性測量的結果及對數(shù)據(jù)信號的影響可忽略不計的事實(即信號完整性可得到保障)，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。

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

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?shù)哪M模型以提高采用新式扼流圈的設計的效率。為此，扼流圈在整個相關頻率范圍的電特性已定義并包括在相應的模型中。因為終端電容和電感以及連接的電阻都取決于用戶設計，所以并沒有包括在模型內(nèi)?？蛻舨槐剡M行費時的整體系統(tǒng)設計，就可評估扼流圈的功能。愛普科斯現(xiàn)可供應用于初次設計評估的簡易模型，此類模型能夠實現(xiàn)快速和精確的模擬。高級模型能夠提供更精確的模擬結果，不過需要較長的模擬時間。