思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

发布时间：2024-07-17 13:50
作者：AMEYA360
来源：思瑞浦
阅读量：380

　　聚焦高性能模拟芯片和嵌入式处理器的半导体供应商思瑞浦3PEAK(股票代码：688536)发布汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q。

　　TPS65R01Q拥有20mV正向调节功能，降低系统损耗。快速反向关断(Typ：0.39μs)，在电池反向和各种汽车电气瞬变条件下提供保护。

　　TPS65R01Q可广泛应用于工业控制、企业电源、汽车主机、ADAS、仪表盘、HUD等多个终端场景。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　TPS65R01Q产品优势

　　电池反向保护、快速关断、零直流反向电流电源系统设计中，直接使用电池供电的模块或子系统，在感性负载与电池断开连接期间出现动态反极性或电池安装过程中出现反接时，会导致连接的模块、子系统电路遭到损坏。

　　TPS65R01具有电池反向保护功能，可承受最大-65V的反向电压，有效保护与电池相连接的模块和子系统。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　降低正向功耗

　　传统的串联肖特基二极管虽然能够提供反向电压保护，但当负载电流增加时，二极管的结温会显著升高，这不仅会加剧热问题，还可能因高温导致反向漏电流上升，进而影响整个系统的稳定性。因此，热管理在系统设计中显得尤为重要。

　　TPS65R01Q具备20mV正向调节功能，相比于肖特基二极管的VF值(0.3V左右@1A)，TPS65R01Q的正向电压更低，这意味着在相同条件下，热损耗显著减少。这种改进不仅提升了系统的可靠性，还有助于降低系统设计和运行的成本。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　低静态功耗

　　TPS65R01Q常温下正常工作电流典型值60μA，全温度范围内不超过100μA。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　更好的冷启动性能

　　在汽车冷启动期间，电池电压会降低到4V左右，在这种情况下，使用PMOS(P型金属氧化物半导体)方案可能会导致PMOS的沟道电阻急剧增加，从而在PMOS两端产生较大的电压降，这可能会引起断路，导致系统重新启动。

　　TPS65R01具有出色的冷启动性能，即使在冷启动运行期间输入电压低于4V(仍高于3.2V)时，也能确保外部NMOS保持完全增强状态。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　ORing电源平滑切换

　　下图展示了在双电源配置中，当 VIN1 固定在12V，而 VIN2 在4V至60V之间进行动态切换时，系统能够实现从 VIN1 到 VIN2 的平滑切换，确保输出在切换过程中保持稳定。

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　TPS65R01Q典型应用

思瑞浦推出汽车级理想二极管ORing控制器TPS65R01Q

　　TPS65R01Q产品特性

　　宽输入电压：3.2V-60V

　　最大-65V的反向电压承受能力

　　正向调制电压：20mV

　　反向关断电压：-11mV

　　最大关断电流：2.3A

　　反向关断延时：390ns

　　正向恢复延时：1.5μs

　　支持多颗NMOS并联

　　温度范围：-40℃ to 125℃

　　封装：SOT23-6

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　　SIC的作用机理　　在CAN总线上，通过CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号。CAN总线上的电位差分为两种：显性电平(Dominant Voltage)和隐性电平(Recessive Voltage)，其中显性电平为逻辑0，隐性电平为逻辑1，如下图所示。　　CAN总线电压电平　　当TXD输出逻辑0时，总线输出的差分电压VDIFF为显性状态，当TXD输出逻辑高电平时总线通过接收器内部的高阻值输入电阻器 (RIN)偏置为VCC/2，为隐性状态，在仲裁期间，显性状态会覆盖隐性状态。CAN收发器在显性阶段的差分发送器输出阻抗约为50Ω，与总线特征阻抗紧密匹配，通常不会引起信号反射。对于常规CAN FD收发器，当驱动器输出显性电平切换到隐性电平时，差分输出阻抗会由50Ω变为约60kΩ，此时，反射回来的信号遇到端口的阻抗不匹配，并且这些反复的反射叠加在输出端口，从而导致了信号振铃的产生。　　CAN总线振铃波形　　对于具有SIC功能的CAN芯片而言，当发送器检测到TXD上出现从显性到隐性的边沿时，内部驱动器会激活振铃抑制(SIC)电路。CAN驱动器继续强力驱动总线至隐形电平，直至tpass_rec_start，以便减少反射，确保采样点处的隐性位很干净。在这一主动隐性阶段，发送器输出阻抗较低(约为100Ω)。反射的信号没有遇到显著的阻抗不匹配，并且驱动电阻可有效吸收反射信号，因此振铃会大大减弱。在该阶段结束后驱动器进入被动隐性阶段，其输出阻抗上升至约60kΩ。　　CAN SIC阻抗时序图　　在SIC作用的主动隐性阶段，其持续时间最长可达530ns(tpass_rec_start，如上文所列)。由于CAN FD协议的数据阶段最低位宽为200ns(5Mbps)，因此振铃抑制可在整个的隐性位持续时间内保持活动状态，从而保证CAN总线和RXD信号的翻转正常进行。　　SIC芯片对于组网的优势　　相比常规CAN芯片，CAN SIC可采用更为灵活的组网方式，如下图所示;常规CAN芯片由于信号振铃的限制，为了保证CAN FD的高速率要求，所有节点需采用手拉手的菊花链组网方式，且每个节点的分支线缆不超过0.3m，采用SIC芯片后可灵活调整组网方式和提高总线速率上限，可根据实际应用场景进行布线，有效节省组网线材成本和车身重量。　　常规CAN组网方式　　在常规组网环境中在若出现某一节点断开时，信号会因为断开节点后留下的分支线导致信号振铃，若是使用常规CAN芯片该振铃无法避免，易导致节点收到错误帧，如果其中一个终端异常断开的话，基本很难保证总线通信了，若是使用CAN SIC芯片可抑制信号振铃，可保证信号在异常场景下正常通信。　　CAN SIC组网方式　　CAN SIC收发器有更严格的位时间对称性，这使得CAN信号在恶劣的组网环境中能够提供更多裕量。收发器对上升沿和下降沿的斜率要求更快，可保证单bit的有效位宽，因此可以以8Mbps的速率可靠运行。与CAN FD收发器相比，其SIC的环路延时最大仅为190ns，远低于CAN FD收发器的255ns最大环路延时的要求，更有助于延长最大组网长度。　　TPT1462　　思瑞浦推出基于其自主创新设计振铃抑制电路专利的车规级CAN SIC(信号改善功能，Signal Improvement Capability)TPT1462Q芯片，相比当前主流的CAN FD车载通信方案，TPT1462Q满足最新的ISO 11898-2:2024标准(见下表)，同时兼容CiA 601-4标准，可实现≥8Mbps的传输速率。可与常规CAN FD的CAN芯片(TPT1044/TPT1042)兼容和混合组网，还具有待机模式和远程唤醒功能，此外其优异的EMC表现，以及灵活的VIO供电选择(低至1.8V)可有效助力工程师简化系统设计、并打造更高质量的车载通信系统。　　表1、TPT1462关于ISO 11898-2:2024标准测试数据　　在工况复杂的汽车应用中，环境中恶劣的电磁干扰可通过电缆耦合到芯片的CAN总线，这可能导致CAN芯片传输异常，甚至导致芯片损伤。思瑞浦推出的CAN SIC芯片TPT1462Q具有国际领先的抗干扰能力，为汽车安全通讯奠定坚实的基础;此外TPT1462Q采用思瑞浦自主设计对称性调节模块专利技术，用于调节第一输出驱动级和第二输出驱动级的对称性;借助于该对称性调节模块，确保差分输出级的对称性，优化芯片的EMI性能，依照IEC 62228-3标准进行传导发射的EME测试，表现如下：　　无共模电感时TPT1462Q的EME测试图　　TPT1462实战效果　　总线振铃一般是CAN总线的通信过程中，由于阻抗不匹配导致的信号反射等原因，使得信号在传输线上多次反射，进而产生的一种振荡现象。振铃现象可能会对CAN总线的通信质量产生负面影响，甚至有可能导致通信失败。TPT1462Q采用自研的振铃抑制专利，允许工程师在多节点、复杂拓扑情况下有效减少总线中的信号反射，降低振铃现象发生的概率(如下图)。　　常规CAN-FD在星型网络多节点通信波形　　CAN SIC芯片在星型网络多节点通信波形　　同时由于架构的优化TPT1462Q可维持高达10Mbps的通信传输速率，并且可保证优质的总线对称性，大幅提升车载通信质量，为下一代CAN技术发展奠定基础。　　在10Mbps通信速率下的波形　　TPT1462产品系列提供带VIO(TPT1462VQ)与不带VIO(TPT1462Q)两个版本，可根据系统需求灵活选择简化系统设计，提供SOP8和DFN8两种封装，可Pin-to-Pin兼容市场主流经典CAN和CAN FD收发器。TPT1462Q已通过AEC-Q100车规认证要求，支持–40°C~125°C的宽工作温度范围，提供过温保护;同时，TPT1462Q还具备TXD显性超时保护，待机模式下支持远程唤醒。此外，该产品的VIO设计可低至1.8V，这一设计不仅提高了产品的灵活性，还可进一步减少系统中对LDO或电平转换器的需求，从而为工程师在成本控制方面提供有力支持。
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　　现在的汽车通过丰富多项功能来提升其安全性、性能和舒适性。从动力总成到高级驾驶辅助系统，从车身电子控制和照明到信息娱乐和安全，大量电子控制单元 (ECU) 被部署到车辆上用于丰富这些功能。　　ECU通过车内网络总线交换控制和数据日志信息。在众多车载总线中，CAN总线因其易用性、良好的共模噪声抑制能力、基于优先级的消息传递机制、可处理总线仲裁以及错误检测和恢复等特性，一直备受追捧。　　CAN总线在车载通信网络的应用优势　　简单且低成本　　ECU通过单个CAN系统进行通信，而不是直接的复杂模拟信号线通信，从而减少了错误、重量、接线和成本;　　完全集中控制　　CAN总线提供了“一个进入点”，可以与所有网络ECU进行通信——支持集中诊断、数据记录和配置;　　高抗扰　　CAN总线具有强大的抗电干扰和抗电磁干扰能力，非常适合对安全行能要求严格的应用场景;　　实时高效　　通过ID对CAN帧进行优先级排序，以便优先级最高的数据可以立即访问总线，而不会引起其他帧的中断。　　通过向现有CAN总线添加节点，可以轻松地扩展车辆网络，这也是一个主要优势。随着附加功能被集成到这些应用中，对更复杂网络和更快速数据速率的需求日益正在增加。然而，当网络变得复杂时，如CAN节点采用星形拓扑连接时，这种优势就会减弱。这些网络中固有的未端接存根引起了反射，在速度较高时会导致发生信号通信故障。这两种需求都与总线上信号振铃的增加效应相冲突，这突出说明了CAN介质访问传统技术的能力有限。因此，尽管CAN灵活数据速率(FD)收发器额定值为5Mbps，但在实际车辆网络中必须以低于2Mbps的速率使用。CAN信号增强能力 (SIC)的引入可能改变这种状况，信号改善功能(SIC)使CAN-FD收发器能够以5Mbps及更高的速度用于复杂的星形网络，而无需进行大规模的重新设计。　　经典CAN和CAN-FD的局限性　　第一代CAN协议ISO 11898-2(又称经典 CAN)于1993年左右发布。该协议只允许进行8字节的有效载荷数据传输，最大指定数据速率为1Mbps。经典CAN网络性价比高、稳定可靠、具有可扩展和易于部署等优点，能够支持整车的复杂拓扑。但是，汽车的新功能不断增加，数据交换需求提高，CAN网络系统必须突破自身的限制。与经典CAN相比，CAN FD技术可提供更高的带宽，它将有效载荷长度增加到64字节，同时将数据阶段的传输速率从1Mbps提升至5Mbps。　　虽然CAN FD网络具有诸多优点，但由于信号反射产生的“信号振铃”问题，使得信号完整性受限，在很多网络中只能达到2Mbps的传输速率，而且仅限于使用高度线性的拓扑。这意味着线束必须避免长线缆分支，从而使得汽车上的走线变得更加复杂，进而导致了汽车成本的上升和重量的增加。　　当前汽车工业快速发展，面对汽车上急剧增加的节点数量，设计人员意识到CAN FD收发器无法满足当前多节点复杂组网的情况，因为复杂星形网络导致的总线振铃影响了正确的信号通信，图1是星形拓扑示例。　　图1、在星形网络中连接的CAN节点　　在具有多个节点的复杂星形拓扑中，CAN芯片总线信号在翻转时阻抗会发生显著变化，导致总线上传输的信号出现阻抗不匹配，进而引起信号反射。这些反射的信号叠加会导致CAN总线振荡，使得接收端出现误翻转，从而导致出现错误帧。尽管这些这种信号振铃的情况并不仅仅在CAN FD速率下存在，但是当以标准CAN低速率运行时，位持续时间长，采样点相对靠后，因此可以采到正确的位(如图2所示)，从而可以正常通信。　　图2、高速CAN速度下的CAN总线振铃和RXD干扰　　对于5Mbps CAN FD 200ns的位持续时间过短，以致复杂星形拓扑中的振铃无法通过调整采样点去规避，从而没法保证可靠的数据通信。这就使系统设计人员无法在这种复杂组网条件下使用CAN FD进行通信，只能降速处理。随着现代车辆对更多的节点数据交换和更快的吞吐量需求，CAN SIC为下一代车载通信总线技术铺平了道路，该技术保证更快的通信速率并提供了更大的网络灵活性和可扩展性。　　CAN FD SIC　　在国际标准ISO11898-2:2024中的定义　　信号改善是CAN FD收发器的基础上增加的一项额外功能，它通过最大限度地减少信号振铃来提高复杂星形拓扑中可实现的更大数据速率。CAN SIC收发器需要满足国际标准化组织 (ISO) 11898-2:2024高速CAN物理层标准和CAN-in-Automation (CiA) 601-4信号改善规格的要求。　　下图是常规CAN FD收发器，在总线产生振铃时，其总线差模信号会反复在显性电平和隐性电平阈值之间振荡，导致RXD产生误翻转，从而使接收数据受到干扰。根据ISO 11898-2:2024规范要求，具有SIC功能的CAN收发器可有效抑制总线信号振铃，从而产生正确的RXD信号，如下图所示。　　(左)无SIC功能的CAN总线和RXD波形　　(右)有SIC功能的CAN总线和RXD波形　　今年3月份ISO更新了最新的ISO 11898-2:2024标准，增加了对CAN SIC部分的参数要求，就电气参数而言，符合ISO 11898-2:2024的CAN SIC收发器与常规CAN FD收发器相比，前者具有更严格的位时间对称性和环路延时要求，如表1所示。发送和接收路径延时的分离可以帮助系统设计人员清楚地计算存在其他信号链组件时的网络传播延时。　　表1、 ISO 11898-2:2016和ISO 11898-2:2024 SIC和时间参数定义对比　　目前思瑞浦最新推出的TPT1462xQ已通过德国IHR实验室提供的符合ISO 11898-2:2024的CAN收发器一致性(IOPT)报告，成为国内首款支持并通过ISO 11898-2:2024认证的CAN SIC收发器。通过该测试意味着TPT1462xQ已经完全符合最新的国际标准ISO 11898-2:2024，并可以在复杂组网的各种条件下与其他符合国际标准并通过认证的产品稳定通信。
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