曹德友， 李郎尼， 李 錢， 伍文超

（溫州長(zhǎng)江汽車電子有限公司， 浙江 溫州 325000）

BCI是Bulk Current Injection縮寫， 是機(jī)動(dòng)車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測(cè)量方法。 一般汽車電子主機(jī)廠會(huì)要求在BCI注入時(shí)測(cè)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(lái)模擬環(huán)境對(duì)汽車電子電器組件的干擾。

TVS管 （Transient Voltage Suppressor） 是一種常見(jiàn)的浪涌抑制元件， 它具有響應(yīng)時(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。 TVS管進(jìn)行浪涌抑制的原理是當(dāng)它受到反向高能量沖擊時(shí)， 它能以極快的速度 （可達(dá)10~12s級(jí)）， 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(hù)電子設(shè)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(cè)試實(shí)驗(yàn)中， 使用示波器測(cè)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(diǎn)出現(xiàn)跌落現(xiàn)象， 電壓跌至888mV （圖2）。 本研究就是針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、 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(hào)2.39V

圖2 在某一頻點(diǎn)電壓跌落至888mV

2 TVS管簡(jiǎn)介

汽車電子產(chǎn)品CAN總線設(shè)計(jì)中， 我們通常使用TVS管對(duì)CAN、 LIN電路進(jìn)行保護(hù) （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(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 雙向TVS管IV特性圖

圖4 PESD1CAN（左）和PESD1LIN結(jié)構(gòu)圖（右）

3 共模電壓跌落實(shí)驗(yàn)

第1章中提出了BCI試驗(yàn)中CAN總線共模電壓跌落問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)， 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(duì)TVS管引起電壓跌落的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、 仿真、 模擬和驗(yàn)證。 本章所做實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證該結(jié)論的正確性。 實(shí)驗(yàn)分組與測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)分組與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明， 第1組為標(biāo)準(zhǔn)CAN總線TVS管設(shè)計(jì)， 參數(shù)作為對(duì)照數(shù)據(jù)； 第2組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)共模電壓依然跌落， TVS雪崩電壓為27.8V； 第3組實(shí)驗(yàn)2個(gè)PESD1CAN分別接在CAN總線上 （GND懸空）， 雪崩電壓提升至55.6V， 實(shí)驗(yàn)中未見(jiàn)明顯跌落現(xiàn)象； 第5組與第6組實(shí)驗(yàn)是2個(gè)PESD1LIN串聯(lián)接在CAN總線上， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)均有較為明顯的共模電壓跌落現(xiàn)象， 對(duì)比說(shuō)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(shí)驗(yàn)， TVS GND端懸空，TVS管也失去作用， 所以未見(jiàn)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(jiàn)圖5， 電路原理仿真模擬圖見(jiàn)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(hào)發(fā)生器原理是： 2個(gè)三極管共通共止，在2個(gè)三極管導(dǎo)通時(shí)， CAN總線上的負(fù)載電阻分壓獲得高低電平， 在2個(gè)三極管截止時(shí)， 此時(shí)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(guò)線上電壓時(shí)獲得的CAN總線上正常情況下的電壓信號(hào)圖。 其中考慮電源內(nèi)阻和測(cè)量誤差情況下， CAN總線的共模電壓約為2.44V， 與本研究實(shí)驗(yàn)前測(cè)試CAN總線電壓2.39V （圖1） 實(shí)測(cè)結(jié)果大致相符， 印證仿真電路正確， 為后續(xù)測(cè)試做好鋪墊。

圖7 CAN總線的正常輸出信號(hào)圖

電路仿真模擬TVS管在雪崩情況下， CAN總線上的電壓信號(hào)改變， 模擬參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2， 仿真結(jié)果見(jiàn)表3。 4組分別進(jìn)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(hào)圖可以發(fā)現(xiàn)TVS管的崩潰不會(huì)影響到正常的信號(hào)通信。 從CAN共模信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的假設(shè)。 從第1、 2組實(shí)驗(yàn)的對(duì)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(shí)驗(yàn)的對(duì)比得出結(jié)果， 在TVS管的正向雪崩而負(fù)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(fù)電壓值。

表2 模擬仿真參數(shù)設(shè)定表格

表3 模擬仿真結(jié)果表格

圖8 第1組模擬信號(hào)圖

圖9 第2組模擬信號(hào)圖

圖10 第3組模擬信號(hào)圖

圖11 第4組模擬信號(hào)圖

5 結(jié)論

本文對(duì)EMC測(cè)試中BCI注入實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的CAN總線共模電壓跌落問(wèn)題進(jìn)行研究， 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真模擬驗(yàn)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(fù)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(fù)電壓值。

在第3章的CAN總線共模電壓跌落實(shí)驗(yàn)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(hào)減弱，所以TVS管不易雪崩。

在實(shí)際汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(hào)的一致性和穩(wěn)定性， 一般針對(duì)CAN物理層設(shè)計(jì)都有明確相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范， 我們實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行符合性檢查， 以保證產(chǎn)品符合客戶要求。