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20211029_Research產業趨勢論壇

車用控制器區域網路介面CAN BUS保護設計

AZCAN1042 CAN Bus傳送接收器內部線路架構。

汽車工業發展一直是全球重要的產業,影響了包含電機,鋼鐵,以及相關零組件等廣泛層面,而隨著近年來人們對車身舒適性、安全性及資訊娛樂性的智慧化高度要求,汽車電子也持續的高速發展,目前車用電子所佔比汽車成本約為30%~50%,而汽車電子系統廣義分類包含動力傳動系統、底盤懸吊系統、安全系統、車身電子系統、保全系統以及車載資通訊系統。

如以安全系統來分類,以目前熱門發展的包括先進駕駛輔助系統(ADAS),車道偏移警示系統(LDWS),前方碰撞警示系統(FCWS),夜視系統(NVS)和停車輔助系統(PAS)。這些眾多的汽車電子系統需求驅使著車用電子零組件和半導體的高速發展,並吸引了消費電子大廠進入汽車電子領域,如Apple所發表的CarPlay和Google提出的Android Auto,目的在於利用觸控儀表板來整合控制包含車內外溫度,行駛路況,車體相關資訊,以及提供聯網功能。促使了智慧型手機等穿戴電子裝置進一步和車體結合,使人車生活的更加緊密舒適。

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AZ9824-02S針對車規CAN Bus提供ESD和EFT保護功能。

而在這些為數眾多的車用電子系統之間,傳遞資訊溝通是汽車電子的重要議題,若採用傳統的佈線方式,不僅成本太高且車身重量亦將增加。因此在諸多的傳輸串列協定發展開發之下,隸屬於國際標準ISO-11898的CAN Bus傳輸介面,採用的雙線差動(Two wire differential)傳輸技術,若某條差動訊號線因為斷線或接地故障而無法傳輸訊號時,仍能轉換為單線訊號傳輸模式,因此可大大減低車內系統通訊溝通不良的機率。

此外CAN Bus是以多主機的架構型態傳送接收訊號,每個主機均能主動發出通訊指向特定節點,因此能夠保持線上最大空間狀態來應付巨大資料量的傳送接收,不僅豐富了車身功能,若有任一主機節點故障時亦不受影響,可確保駕駛人的行車體驗,減少故障維修的風險。CAN Bus的傳輸速度目前應用最高需求至1Mbps,且其傳輸距離最遠可達1,000M,因此可滿足應用於車內不同子系統對不同傳輸速度和傳輸距離的要求,因而在開發階段時的成本,車體重量,規格特性上的諸多考量下,現階段約有70%的汽車皆已採用CAN Bus昨為其傳輸接面使用。

考量到車內具有諸多複雜的系統,並且頻繁的與使用者接觸,運作時將會產生相對應的突波雜訊互相干擾,最常見的突波雜訊例如靜電放電事件(ESD)、電氣過載事件(EOS),以及電性快速暫態事件(EFT)。靜電放電是兩物體間的電荷移轉,由於人體易於累積電荷,當碰觸車內系統時將產生靜電放電現象而對汽車電子造成損壞,目前主要的靜電放電測試標準是以國際電工委員會所制定的IEC61000-4-2為主,包含接觸放電模式(Contact)和空氣放電模式(Air)兩種為主。

而針對車內電源供電電流突然中斷,起動器點火開關,雨刷馬達運轉時導致的電壓突降等電源脈波,則以ISO7637傳導暫態標準為主要測試,包含有Pulse 1(a)模擬電感性負載因電源切斷產生的暫態事件,Pulse 2(a)模擬束線的電感性負載因為電流突斷產生的暫態,Pulse 2(b)模擬鼓風機或雨刷馬達因運轉的電源移除所產生的暫態,Pulse 3(a)(b)則是模擬因為切換過程產生的暫態波。另有電性快速暫態事件(EFT)主要依據IEC61000-4-4為主要測試標準,其中包含對電源和訊號線的測試。

晶焱科技秉持數十年專精於資料收發器(Transceiver)和電子防護元件設計技術,利用自我專利開發出適用於車載、工控、機器人應用的CAN Bus傳送接收器AZCAN1042。AZCAN1042採用了矽晶體絕緣層製程(SOI),並將故障電壓(Fault Voltage)設計至高達100V等級,以避免因為車內的直流誤觸電壓而引發的過壓損壞。

而訊號線上所內建的暫態電壓抑制器(TVS),可提供高達依據IEC61000-4-2接觸放電12kV和空氣間隙放電15kV等級,不僅提升了靜電放電(ESD)防護規格,亦可有效節省需外置的TVS元件,在PCB空間和物料成本上的節約上有更大的優勢。

從AZCAN1042的IC單體防護規格來看,其具有的人體放電模型(HBM)、機器放電模型(MM)和自我充放電模型(CDM)分別高達8kV、800V和1kV的軍規等級,避免閂鎖效應電流可達400mA以上,電性快速暫態(EFT)規格可達2kV,綜觀以上的防護設計規格等級,AZCAN1042是目前業界上最強悍的CAN Bus傳送接收器,可確保在嚴苛的車內環境下達到最穩定可靠的運作表現。

AZCAN1042除了在防護規格上具有優異表現,其功能特性也完全符合ISO11898所規範,共模電壓範圍可達50V,最高速度可達2Mbps,可適用於車內常用的電源12V、24V和電動車電源48V系統。

若需額外增強CAN Bus的保護能力等級,晶焱科技亦開發出AZ9824-02S兩通道暫態電壓抑制器陣列(TVS Array),AZ9824-02S為SOT23封裝的雙向24V保護元件,ESD防護等級可達IEC61000-4-2接觸放電和空氣間隙放電30kV,而EFT防護等級則可達IEC61000-4-4 4kV,並通過AECQ101車規可靠度驗證,保證操作溫度從低溫-55°C至高溫125°C,以確保車體內的嚴苛的高低溫操作環境應用。 (本文由晶焱科技設計研發部李健銘經理提供,尤嘉禾整理)

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