“硬核”的CAN收发器在汽车应用中的挑战
前文谈及，在车载应用中（如t-box），对于高速信号的传输，phy是冉冉升起的新星；而对于较低速信号的传输，can仍是必不可缺的成员。未来的t-box，很有可能需要将车辆的id、油耗、里程、轨迹、车况（门窗灯、油水电、怠速等）、速度、位置、用车属性、车辆配置等都展现在车联网及移动车联网上，而这些速率要求相对较低的数据传输，靠的正是本文的主角can。
can总线由德国博世公司于上世纪80年代提出，至今已经成为了汽车中不可或缺的重要组成部分。为满足车载系统的不同要求，can总线又分成高速can和低速can。高速can主要用在对实时性要求高的动力系统的控制，如发动机、自动变速箱、组合仪表等。低速can主要是用在对实时性要求较低的舒适系统和车身系统的控制，如空调控制、座椅调节、车窗升降等。在本文主要谈及的是高速can。
虽然说can已经是非常成熟的技术，但是在汽车的应用中仍是面临着各种挑战。本文将会细数can目前面临的种种挑战，并介绍相关的应对技术。最后，还将详细介绍ti在can应用中的优势所在以及相当“硬核”的产品
挑战一：emi性能优化
随着汽车中电子化密度逐年增加，对车载网络的电磁兼容性（emc）提出了更高的要求，因为当所有元器件集成到同一系统时，必须要确保即便是面临着嘈杂的环境，各个子系统仍需按照预期正常工作。而can所面临的重大挑战之一，就是共模噪声所引起的传导辐射超标。
理想情况下，can使用差分链路传输可以有效防止外部噪声耦合。但实际应用中，can收发器并非是理想的，即便是canh和canl存在极细微的不对称，也会产生对应的差分信号，从而导致can的共模分量（也就是canh和canl的平均值）不再是一个恒定的直流分量，而是变成与数据相关的噪声。有两种不平衡会导致这种噪声：一种是稳态共模电平在显性和隐性状态下的不匹配引起的低频噪声，这种噪声模式频率范围很广，表现为一系列均匀间隔的离散谱线；另一种则是canh和canl在显隐性之间转换时存在时间差而引起的高频噪声，由数据边沿跃迁产生的短脉冲和干扰组成。下图1则是典型的can收发器输出共模噪声的例子。黑色（通道1）为canh，紫色（通道2）为canl，绿色则表示canh和canl的总和，其值等于在给定时间点上共模电压的两倍。
图- 1 典型的can收发器canh/canl的输出和共模噪声
由于共模信号可以通过辐射或传导耦合到系统的其他组件上，所以这种共模噪声将会直接影响电磁干扰的性能。根据(ibee) zwickau测量得到的传导辐射干扰结果一般会与oem的限制线一同绘制，如图2所示。
图- 2 典型的can收发器的传导干扰
在图2中，收发器的传导干扰在低频和高频区域都超过了oem要求。为了降低排放，通常会加入共模扼流圈进行外部滤波。虽然加入共模扼流圈可以有效降低排放，但却会带来其他的问题。
首先最明显的缺点是在增加了pcb的面积以及器件成本；其次扼流圈引入的串联电感与can总线的寄生电容会产生谐振，从而导致谐振频率处噪声增加。图3即为扼流圈电感引起的共模噪声。这种窄带噪声特别难控制，因为扼流圈电感和总线寄生电容因系统而异；还有就是扼流圈电感会增加总线上高瞬态电压的风险。电源或电池短路等故障条件会导致共模电流的突变。这既发生在短路、连接/断开的时候，也会发生在显性和隐性状态之间转换的时候。当流过扼流圈电感的电流迅速变化时，在驱动电路的can端也会产生很大的电压。在某些情况下，该电压可能超过can收发器的瞬态过电压处理能力，并导致永久性损坏。
图- 3 扼流圈电感引起的共模噪声
如果我们既要达到减少排放的目的，又希望避免扼流圈带来的众多缺点，不妨考虑一下另一种解决方案：减少can驱动导致的共模噪声输出。这听起来很简单，但是需要半导体制造商的精心设计。在隐性和显性状态下，需要严格控制canh和canl电压水平，以确保can总线波形尽可能保持平衡；此外，在显隐性之间过渡时，需要匹配好canh和canl线之间的过渡时间和时间偏差，以限制高频段的共模噪声。ti的tcan1042-q1 can收发器的瞬态波形如图4所示，图5是相应的传导干扰排放。
图- 4 canh/canl输出和共模噪声
图- 5 汽车故障保护can总线的传导排放
由图4、图5可以看出tcan1042-q1输出级匹配良好，输出共模噪声非常低。即便不用外部的共模滤波组件，辐射排放性能也能符合oem的要求。虽然共模扼流圈广泛应用于汽车工业，但对于新的高性能can收发器，并不需要配备扼流圈。减去扼流圈使can总线实现更小的pcb面积、更低的boom成本，同时避免了电路谐振和感应电压峰值等问题。
挑战二： 低功耗模式的需求
当汽车的电子元件增加时，电量的消耗当然也会增加。由于汽车是在有限的电池供电下运行的，如何能够达到添加更多功能的同时又不会过多增加电池的消耗？答案是低功耗模式！
在低功耗模式下，器件允许切掉部分系统以减少消耗，从而避免每个子系统都处于全功率模式，使得响应时间变慢。这可以通过改变系统通讯来实现。can收发器传送来自总线的消息，通过发出进入待机状态的命令来指示何时不需要功能，直到需要时再将其唤醒。然后，can将消息传递到各自的控制器-通常是mcu，指示mcu将系统置于低功耗状态。如果是使用更先进的收发器和基于系统的芯片（sbc），通过一颗器件即可处理此过程的多种功能（转换为低功耗状态或唤醒）。
tl的can收发器在设计时充分考虑了这些因素，从而可以实现正常待机、静音和睡眠模式。所有这些模式均允许系统以节能的方式运行。ti can收发器的数据手册中都提供了功耗值。如下图6为tcan1042-q1，该器件支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式（standby）。待机模式电流为ua 级别。
图- 6 tcan1042-q1 数据手册的功耗情况
当然，can收发器所面临的挑战还有很多，比如速率、延时、esd保护、耐压等等。由于篇幅问题就不一一展开。
助力于t-box的tcan1042-q1
作为汽车应用的新热点t-box，需要通过can采集车辆的位置、车况、轨迹等多种信息。而ti的明星产品tcan1042-q1符合 iso1189-2 高速 can物理层标准，满足t-box应用的基本要求，其特点列举如下：
不需要共模扼流圈，emi性能良好；
具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性；
标准传输速率为2mbps，can fd 传输速率可达5mbps；
总线故障保护耐压有±58v、±70v两个版本以满足不同的系统需求；
iec-esd性能良好，满足±15kv iec61000-4-2标准，无需外置tvs管；
超短的环路延时，仅为175 ns；
更好的热性能。
tcan1042-q1有多个版本，区别以后缀标明：
“h”：带h---bus fault protection达±70v；不带h---bus fault protection达±58v；
“g”：带g---5mbps；不带g---2mbps；
“v”：带v---集成3v电平偏移（vio）；不带v---没有集成3v电平偏移（vio）。
事实上，除了tcan1042-q1，ti还有更多相关的can产品供大家挑选，其芯片内部简图以及区别也已列举如下表1所示。
型号 芯片内部简图 区别
tcan1042-q1
standard product
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
待机模式电流为ua 级别。
tcan1051-q1
支持只听模式(silent)。
can驱动器被禁用，接收器正常，可继续将canh和canl的差分信号转换为rxd端子上的数字输出。
只听模式电流模式为ma级别。
tcan1043-q1
standard product
带有唤醒和故障检测功能。
唤醒功能：除了总线唤醒外，wake引脚还允许can从本地事件中唤醒。
故障检测功能：包括多种保护和诊断功能，如线路短路检测和电池连接检测。
tcan1044-q1
standard product
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
can fd支持高达8mbps的数据传输速率。
i/o 电压范围扩展为1.8v 至 5v。
tcan1046-q1
双通道can。
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
can fd支持高达8mbps的数据传输速率。
i/o 电压范围扩展为1.8v 至 5v。
tcan4550-q1
standard product
sbc (system basic chip) ，集成 can fd 收发器和带spi 的 can fd 控制器，可以为不支持 can fd 的mcu实现端口扩展或 can 支持。
集成buck，可为can收发器提供 5v电源。
支持待机(standby)、睡眠(sleep)和防护(protected)模式。
can fd 速率高达 8mbps，且 spi 时钟速率高达 18mhz。
表- 1 ti的can收发器对比
需要注明的一点是，车规级的tcan1042-q1 / tcan1043-q1 / tcan1044-q1 / tcan4550-q1都是属于ti的通用器件 (standard product)，其性价比以及交期都是相当不错。
auto can p/n data rate description
5v tcan1042-q1 5 mbps 70v bus fault, emc optimized,
tcan1043-q1 5 mbps 70v bus fault, wake/inh
tcan1044-q1 8 mbps 58v bus fault, p2p with tcan1042/51
tcan4550-q1 8 mbps spi to can fd controller
表- 2 ti汽车级通用接口
综上所述，ti的多种can接口芯片（如tcan1042-q1）可满足汽车应用如t-box中低电磁干扰的、低功耗、esd性能优良、高耐压、低成本、高性价比等众多要求，是相当“硬核”的can收发器！
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虽然说can已经是非常成熟的技术，但是在汽车的应用中仍是面临着各种挑战。本文将会细数can目前面临的种种挑战，并介绍相关的应对技术。最后，还将详细介绍ti在can应用中的优势所在以及相当“硬核”的产品
挑战一：emi性能优化
随着汽车中电子化密度逐年增加，对车载网络的电磁兼容性（emc）提出了更高的要求，因为当所有元器件集成到同一系统时，必须要确保即便是面临着嘈杂的环境，各个子系统仍需按照预期正常工作。而can所面临的重大挑战之一，就是共模噪声所引起的传导辐射超标。
理想情况下，can使用差分链路传输可以有效防止外部噪声耦合。但实际应用中，can收发器并非是理想的，即便是canh和canl存在极细微的不对称，也会产生对应的差分信号，从而导致can的共模分量（也就是canh和canl的平均值）不再是一个恒定的直流分量，而是变成与数据相关的噪声。有两种不平衡会导致这种噪声：一种是稳态共模电平在显性和隐性状态下的不匹配引起的低频噪声，这种噪声模式频率范围很广，表现为一系列均匀间隔的离散谱线；另一种则是canh和canl在显隐性之间转换时存在时间差而引起的高频噪声，由数据边沿跃迁产生的短脉冲和干扰组成。下图1则是典型的can收发器输出共模噪声的例子。黑色（通道1）为canh，紫色（通道2）为canl，绿色则表示canh和canl的总和，其值等于在给定时间点上共模电压的两倍。
图- 1 典型的can收发器canh/canl的输出和共模噪声
由于共模信号可以通过辐射或传导耦合到系统的其他组件上，所以这种共模噪声将会直接影响电磁干扰的性能。根据(ibee) zwickau测量得到的传导辐射干扰结果一般会与oem的限制线一同绘制，如图2所示。
图- 2 典型的can收发器的传导干扰
在图2中，收发器的传导干扰在低频和高频区域都超过了oem要求。为了降低排放，通常会加入共模扼流圈进行外部滤波。虽然加入共模扼流圈可以有效降低排放，但却会带来其他的问题。
首先最明显的缺点是在增加了pcb的面积以及器件成本；其次扼流圈引入的串联电感与can总线的寄生电容会产生谐振，从而导致谐振频率处噪声增加。图3即为扼流圈电感引起的共模噪声。这种窄带噪声特别难控制，因为扼流圈电感和总线寄生电容因系统而异；还有就是扼流圈电感会增加总线上高瞬态电压的风险。电源或电池短路等故障条件会导致共模电流的突变。这既发生在短路、连接/断开的时候，也会发生在显性和隐性状态之间转换的时候。当流过扼流圈电感的电流迅速变化时，在驱动电路的can端也会产生很大的电压。在某些情况下，该电压可能超过can收发器的瞬态过电压处理能力，并导致永久性损坏。
图- 3 扼流圈电感引起的共模噪声
如果我们既要达到减少排放的目的，又希望避免扼流圈带来的众多缺点，不妨考虑一下另一种解决方案：减少can驱动导致的共模噪声输出。这听起来很简单，但是需要半导体制造商的精心设计。在隐性和显性状态下，需要严格控制canh和canl电压水平，以确保can总线波形尽可能保持平衡；此外，在显隐性之间过渡时，需要匹配好canh和canl线之间的过渡时间和时间偏差，以限制高频段的共模噪声。ti的tcan1042-q1 can收发器的瞬态波形如图4所示，图5是相应的传导干扰排放。
图- 4 canh/canl输出和共模噪声
图- 5 汽车故障保护can总线的传导排放
由图4、图5可以看出tcan1042-q1输出级匹配良好，输出共模噪声非常低。即便不用外部的共模滤波组件，辐射排放性能也能符合oem的要求。虽然共模扼流圈广泛应用于汽车工业，但对于新的高性能can收发器，并不需要配备扼流圈。减去扼流圈使can总线实现更小的pcb面积、更低的boom成本，同时避免了电路谐振和感应电压峰值等问题。
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tl的can收发器在设计时充分考虑了这些因素，从而可以实现正常待机、静音和睡眠模式。所有这些模式均允许系统以节能的方式运行。ti can收发器的数据手册中都提供了功耗值。如下图6为tcan1042-q1，该器件支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式（standby）。待机模式电流为ua 级别。
图- 6 tcan1042-q1 数据手册的功耗情况
当然，can收发器所面临的挑战还有很多，比如速率、延时、esd保护、耐压等等。由于篇幅问题就不一一展开。
助力于t-box的tcan1042-q1
作为汽车应用的新热点t-box，需要通过can采集车辆的位置、车况、轨迹等多种信息。而ti的明星产品tcan1042-q1符合 iso1189-2 高速 can物理层标准，满足t-box应用的基本要求，其特点列举如下：
不需要共模扼流圈，emi性能良好；
具备低功耗待机模式及远程唤醒请求特性；
标准传输速率为2mbps，can fd 传输速率可达5mbps；
总线故障保护耐压有±58v、±70v两个版本以满足不同的系统需求；
iec-esd性能良好，满足±15kv iec61000-4-2标准，无需外置tvs管；
超短的环路延时，仅为175 ns；
更好的热性能。
tcan1042-q1有多个版本，区别以后缀标明：
“h”：带h---bus fault protection达±70v；不带h---bus fault protection达±58v；
“g”：带g---5mbps；不带g---2mbps；
“v”：带v---集成3v电平偏移（vio）；不带v---没有集成3v电平偏移（vio）。
事实上，除了tcan1042-q1，ti还有更多相关的can产品供大家挑选，其芯片内部简图以及区别也已列举如下表1所示。
型号 芯片内部简图 区别
tcan1042-q1
standard product
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
待机模式电流为ua 级别。
tcan1051-q1
支持只听模式(silent)。
can驱动器被禁用，接收器正常，可继续将canh和canl的差分信号转换为rxd端子上的数字输出。
只听模式电流模式为ma级别。
tcan1043-q1
standard product
带有唤醒和故障检测功能。
唤醒功能：除了总线唤醒外，wake引脚还允许can从本地事件中唤醒。
故障检测功能：包括多种保护和诊断功能，如线路短路检测和电池连接检测。
tcan1044-q1
standard product
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
can fd支持高达8mbps的数据传输速率。
i/o 电压范围扩展为1.8v 至 5v。
tcan1046-q1
双通道can。
支持带有总线唤醒功能的低功耗待机模式(standby)。
can fd支持高达8mbps的数据传输速率。
i/o 电压范围扩展为1.8v 至 5v。
tcan4550-q1
standard product
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集成buck，可为can收发器提供 5v电源。
支持待机(standby)、睡眠(sleep)和防护(protected)模式。
can fd 速率高达 8mbps，且 spi 时钟速率高达 18mhz。
表- 1 ti的can收发器对比
需要注明的一点是，车规级的tcan1042-q1 / tcan1043-q1 / tcan1044-q1 / tcan4550-q1都是属于ti的通用器件 (standard product)，其性价比以及交期都是相当不错。
auto can p/n data rate description
5v tcan1042-q1 5 mbps 70v bus fault, emc optimized,
tcan1043-q1 5 mbps 70v bus fault, wake/inh
tcan1044-q1 8 mbps 58v bus fault, p2p with tcan1042/51
tcan4550-q1 8 mbps spi to can fd controller
表- 2 ti汽车级通用接口
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