汽车网络用数据线扼流圈改善电磁兼容研究

由爱普科斯生产的控制器局域网(CAN)总线扼流圈可防止汽车网络中出现的电磁兼容性(EMC)问题，从而提高安全性。FlexRay联盟已确认SIMDAD 1812为合格测试用参考型号。

近年来，汽车内的电子设备比例在显著增长。这一趋势的发展使更多功能加入进来，用以提高汽车的安全性、效率、可靠性和便利性，并降低排放。与此相对应的便是针对总线系统提出的日益增加的要求：确保在最多样化的控制单元之间实施可靠通信。特别是经由总线系统如控制器局域网(CAN)或FlexRay系统控制的对安全性至关重要的应用，必须满足最高的电磁兼容性规格。数据线中的共模扼流圈(CMC)可加强对由电磁兼容性问题所导致的故障的防护。

当代机动车辆控制功能的复杂性在于三点：更快的数据速率、确定时延性能以及故障容错功能。以成本考量为主的功能或多媒体功能由LIN(局域互连网)或MOST(媒体导向系统传输)总线进行连接，而CAN或FlexRay总线系统则用于对安全至关重要的功能，比如引擎控制、ABS系统以及气囊等。CAN和FlexRay采用双绞线，具确定时延性，可实现快速数据速率(CAN总线：1 Mbit/s；FlexRay总线：10 Mbit/s)。这两种总线系统的物理层和数据传送协议均已经过优化，可确保高度可靠性。不过，鉴于现代车辆逐渐增加的复杂性，单独凭借上述措施并不能彻底防止电磁兼容性问题导致的故障。

数据线扼流圈几乎存在于所有现代汽车中。没有数据线扼流圈，就无法确保汽车电子设备的电磁兼容性和无故障运转。爱普科斯现可供应能够满足汽车具体要求的、具有不同封装尺寸和版本的各种型号产品。B82789系列扼流圈专用于功能强大的汽车总线系统，比如CAN或FlexRay。当上述扼流圈应用到数据线上时，就能抑制耦合干扰并防止数据总线发出干扰。该系列产品的工作电压为42 VAC或80V DC，扼流圈的额定电感介于11至100mH之间，额定电流介于150~300 mA之间。

图1 电磁兼容性测量(于测试板上实施)，这一测试结构用于电磁干扰测量与总线扼流圈效果的测定

总线扼流圈

汽车总线系统必须符合高级电磁兼容性要求：针对瞬变、静电放电(ESD)及电磁干扰(EMI)的抗扰度。但是，总线系统不能干扰其它电子元件，也就是说，必须最小化干扰辐射。不过，随着车辆内部电子设备比例的增加，无法在所有条件下预先测试电磁兼容性，这就存在出故障乃至控制装置受损的风险。爱普科斯数据线扼流圈促进了上述问题的解决。

通常，必须要区别差模和共模干扰。差模干扰与数据信号重合，而共模干扰则是对地的，它源于不平衡性和寄生效应。为最小化共模干扰，必须特别注意总线信号线的布线、终端滤波器、连接器、以及电路板本身。穿通接头或连接接头的寄生电容和电感，以及总线信号引线在电路板上的布局都可能会引起不对称性，并产生共模干扰。

常用于测L定射频影响电磁兼容性的方法是Te直接射频功率注入(DPI)法：将来自信号发生器的信号(最高可达36 dBm)耦合到总线引线中，并观察信号输出。如果发生故障，就记录接入信号的信号电平。针对有关范围内的每一个对应频率逐步重复这一流程。一个特定的总线结构的射频干扰辐射是通过测试接收机决定的，用它来测量总线及所有输入输出处的共模电压。

在采用和未采用爱普科斯扼流圈的情况下，我们采用DPI方法分别在测试板上进行射频抗扰性和干扰辐射测量。从图2和图3中可以看出CAN总线相应结果。显然，B82789共模扼流圈的使用大大改善了射频抗扰性。同时，扼流圈在数据线中的使用也大大减少了干扰辐射。

数据线扼流圈可以显著提高CAN总线系统的可靠性。这就是为什么欧洲汽车制造商要求使用数据线扼流圈的原因。尽管较高电感的扼流圈会由于较高的衰减产生较好的电磁兼容性，但要选择最合适的扼流圈，就必须还要考虑杂散电感、信号完整性、接地漂移以及引线的坚固性等因素。爱普科斯B82789系列的电感范围为11到100mH。

FlexRay电磁兼容性与电磁干扰

FlexRay是一个串行的、具确定时延和故障容错的总线系统。FlexRay由FlexRay联盟 (FlexRay Consortium)定义。FlexRay联盟于2000由宝马公司(BMW)、摩托罗拉(现在是飞思卡尔，Freescale)和菲利普(现在是恩智浦，NXP)、博世(Bosch)、通用汽车、大众汽车公司创建，其它公司后来加入。FlexRay的设计旨在满足未来汽车网络的更高要求，特别是快速数据速率、实时响应能力以及故障容错性能。不过，目前的焦点是更快的数据速率。
物理层应用指南明确指出了对FlexRay网络数据线扼流圈的总体要求，比如引线电阻(<1W)、电感(>50 mH)以及杂散电感(<1mH)。对电磁辐射和电磁干扰的测定与CAN总线一样。不过，由于10 Mbit／s的更高传输率，需要更加仔细地检查信号完整性。图4所示为对具有各种电感的扼流圈与不使用扼流圈的测试板进行DPI测定的相应评估结果。图五所示为使用另一块测试板进行电磁干扰测量的结果，同样是针对具有不同电感的扼流圈。很明显可以发现，数据线扼流圈的使用改善了电磁兼容性并减少了干扰辐射。当电感更高时，作用就更大。不过，更高的电感值会对信号完整性产生一定的负面影响。