提升汽车CAN总线能效的途径

对于传统乘用车而言，油箱是唯一的实际能源来源，故制造商们寻求在包括电子系统在内的所有汽车系统中节能，以进一步改善燃油经济性及二氧化碳(CO2)排放。随着汽车中增添的电子系统的数量不断增多，以增强汽车性能及安全性，并为购买者提供有吸引力的新功能，汽车中每个电子控制单元(ECU)的节能效果较低的话，就会使总油耗大幅增加。

芯片设计人员采用不同技术及途径，已经能够降低他们提供的器件的总能耗。在单个系统基础芯片(SBC)中结合多个器件的功能，并应用不同电源管理策略，还能帮助进一步降低总能耗。这些进展表示当今的内燃发动机汽车能够舒适安全地搭载乘客，而使用的燃油更少，碳排放更低。

增强型系统基础芯片

SBC为连接至汽车(CAN或LIN)总线的各种模块(如车门模块)提供电能、驱动器及连接功能。通常情况下，它们可能集成稳压器， 为控制器及传感器、高边和/或低边驱动器、收发器接口及唤醒或看门狗引脚等其它系统连接功能供电。在单片器件中集成这些功能且结合内置电源管理，跟使用分立元件相比，在功率、成本及尺寸方面具备优势。当今的SBC使用现有技术及电源管理，能提供约20 μA的休眠电流及约60 μA的待机电流。

在一款典型SPC中，片上稳压器通常是低压降(LDO)线性稳压器，如图1所示。基于这个原因，设计人员面临的主要挑战就在于散热管理，因为LDO功率耗散相对较高。对于5 V时150 mA的稳流供电电流而言，SBC应当能够耗散高达1.3 W的总功率。如果SBC的LDO包含内置旁路元件，此功率就在SBC封装内部耗散。用于需要更大电流(通常高于250 mA)的模块的SBC，通常设计为与外部旁路元件一起使用。这就有效分散SBC与外部MOSFET之间的功率耗散，从而能够扩展实用的环境温度范围。

图1. 包含LDO稳压器的传统SBC

提升电源电路的能效，如在某些或全部LDO处使用开关模式的DC-DC转换器，能够大幅降低汽车中每个CAN节点SBC的功率损耗额。这能帮助简化散热管理，还能提升燃油经济性。

在仔细选择转换器架构的情况下，采用开关模式DC-DC转换的SBC能为使用自动停止-启动(或微混合)技术的较新型车提供重要优势。自动停止-启动技术在汽车停下来 (如等候交通信号灯) 时关闭发动机，能够降低市区行驶的燃油消耗约15%至20%；当驾驶员踩下加速踏板(油门)时，发动机自动重启，使系统有效地工作，而且这个过程对驾驶人员而言是透明的。为了确保CAN总线上的所有系统都能够持续恰当地发挥功用，应用必须保持全面工作，即使是在发动机启动期间电池电压降至2.5 V那么低时，也是如此。在这种情况下，升压-降压DC-DC拓扑结构使SBC能够在所有工作条件下提供所要求的稳压输出电压。

图2：采用DC-DC转换器的SBC

局部网络

当今的汽车可能包含大量ECU，高端车型中的ECU数量可能多达100个左右。大多数ECU(如果不是全部的话)连接至CAN总线，因此，CAN总线始终是启用的。即使发动机熄火时，某些ECU必须保持工作，以维持遥控开锁(RKE)等功能的运作。这么多数量的ECU连接至总线，对总体电能消耗有重要影响。[page]

局部网络(Partial Networking, PN)是一种用于降低能耗同时使ECU能够对唤醒指令作出响应的技术。系统仅在某些特定时刻根据需要启用部分网络，而其它节点保持在低功率状态。有几种可能的局部网络应用方案。针对公路用车颁布的CAN标准ISO 11898-6定义了选择性唤醒功能，作为以高速媒体存取提供局部网络的方式。当某个ECU不要求工作时，它可能断开与CAN网络的连接，只要没有特定指令传送给这个特别节点。

为了配合局部网络功能，各个节点要求专用收发器中内置“选择性唤醒功能”。这种选择性唤醒功能使不工作的ECU的电流消耗能降低至汽车制造商通常规定的100 μA平均待机电流极限范围内。即使有这样的省电效果，但连接至总线ECU数量众多，以致于对总线的总能耗进而对汽车的燃油消耗有较大影响。这种途径的另一项缺点就是跟每颗IC中必须包含的额外选择性唤醒电路相关的系统成本增加了。此外，网络内所有节点都需要软件适配，以配合应用局部网络。这就增加了较大的系统开发负荷。

引入CAN中继器

通过将逻辑总线分割为两个物理部分，使其中某个完整部分在不用时断电，能够获得可贵的省电效果，如图2所示。这可以通过在连接至CAN总线的某个模块上引入双向中继器来实现。

图3. 增加一个具有CAN中继器的模块使总线能够分割为两个部分

常规模块包含一个连接至总线的CAN收发器，此收发器将物理CAN信号转换为由模块的微控制器(MCU)处理的数字信号。通常情况下，连接至总线的所有模块都是这种类型。增加一个带内置CAN中继器的模块会创建一个点，总线在此点能从物理上分为两个部分。

如图4所示，CAN中继器以与独立式CAN收发器类似的方式连接微控制器。在此器件内部，端口A上的每个信号传输至端口B，而端口B上的每个信号传输至端口A。CAN总线信号在微控制器中被解释(interpreted)。CAN总线数据的重复在中继器芯片内部完成。当接收到进入休眠(Go-to-Sleep)指令时，端口之间的连接被断开，有效地断开端口B上网络部分的连接。断开连接部分上的所有节点都可以进入极低能耗的休眠模式。

图4. CAN中继器模块的内部架构

这种方法简单且性价比高，因为所有节点中除了一个节点外都可以使用标准ISO11898-2或ISO11898-5收发器来应用，而且无须软件适配。仅要求使用一个中继器。当使用这种技术时，重要的是计算顾及到线缆长度、传输速度及由中继器导致的额外延迟等因素的总体时序。

采用这种方式来分割总线也增强了汽车的故障容限(如线缆对地或电池短路)能力。如果有要求，还可以通过插入额外的总线中继器，来进一步限制这些所谓的“硬”总线故障。还可以防止带有像增加电磁辐射及散热问题等后果的“软”错误影响整个网络。

结论