如何设计符合整车厂要求的LIN物理层接口电路？

面包板社区 2019-12-17 08:15

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局域互联网络LIN(Local Interconnect Network)目前已经成为多数车载控制器的接口，其目的是对CAN总线等其他汽车多路网络形成补充。该总线适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用，例如控制门、座椅以及方向盘控制开关等。LIN总线是采用单主控制器/多从设备的模式，是UART中的一种特殊情况。由于LIN这个主题的涉及范围比较多，我们仅仅对物理层展开讨论。

LIN总线的物理层是将车载控制器连接至总线的驱动电路。因为LIN总线是采用主/从结构，一个LIN网络至少由一个主节点和至少一个或多个从节点组成，所以就有两种与外部总线连接的物理层接口电路结构(主节点和从节点)。因此，如何设计符合整车厂要求的LIN物理层接口电路，从而能够通过整车厂的设计评审及工程验收，就成为需要讨论的重要主题。

本文就着重深入讨论主/从节点下的LIN物理层接口电路的设计要点。

(1)主节点的LIN物理层接口电路;

(2)从节点的LIN物理层接口电路。

图1：主节点的LIN物理层接口电路。

(1)主节点的LIN物理层接口电路

从图1可以看到，主节点的LIN物理层接口可以划分成两个元件功能区域：主节点功能元件和ESD保护元件。主节点功能元件包含D1和R1，ESD保护元件包含Z1。

此外还有可选器件R2或L1。C1、C2、C3都是电源滤波器件。

下面就详细介绍每一个元器件的作用(见表1)和设计注意事项。

表1：主节点的LIN物理层接口电路的元器件的作用。

下面来介绍设计注意事项：

C1：需要满足容量680pF±10%，电压³100V耐压等级。

C2、C3：在这种情况下，C2、C3有两种可能的器件应用情况。第一种情况是位于控制器IC内部的电源滤波，需要满足容量³90nF，电压³100V耐压;第二种情况是，如果用的不是Flexisafe的电容，则需要用两个电容串联并且以垂直布局的方式来设计，C3容量³180nF，电压³50V耐压。

D1：主节点的LIN物理层的功能器件，此器件只是在LIN的主节点下才会有。选用耐压³100V、正向电流³100mA的二极管。

R1：主节点的LIN物理层的功能器件，用来作为主节点的上拉电阻，此器件只是在LIN的主节点下才会有。可以选用1kΩ的电阻器，考虑到R1会在最差情况下短路到地和降等级设计的要求，将R1的额定功率选为250mW。

R2、L1：这两个器件属于可选器件。取决于EMC实验中辐射抗扰度的通过情况，L1通常选用45-105µH、饱和电流为150mA的电感;如果实验通过则直接就用R2(0Ω)直通。

Z1：这个齐纳二极管是作为ESD保护的作用。需要选用击穿电压在27V的齐纳二极管，这样才可以使外部的高电压在经过齐纳二极管到达LIN收发器的PIN脚时不至于击穿。以TJA1021(NXP公司)为例，数据手册(见图2)中显示LIN引脚最大耐受电压为±40V。为了考虑兼容其他半导体公司的收发器LIN引脚极限值和为了保证一定的设计冗余，用双向的齐纳二极管将外部电压钳位在±27V。还需要注意的是在PCB布线的时候，Z1必须尽可能地靠近连接器，这样才有更好的ESD保护效果。

图2：TJA1021(NXP公司)的数据手册(部分)。

图3：从节点的LIN物理层接口电路。

(2)从节点的LIN物理层接口电路

从图3可以看到，从节点的LIN物理层接口可以划分成两类功能元件：电源滤波元件和ESD保护元件。电源滤波元件中包含C1、C2和C3，ESD保护元件包含Z1。

此外还有可选器件R2和L1。

下面就详细介绍每一个元器件的作用(见表2)和设计注意事项。

表2：从节点的LIN物理层接口元器件的作用。

下面来介绍设计注意事项：

C1：C1是在控制器内部的，需要满足容量220pF±10%，电压³100V耐压等级就可以。

C2、C3：在这里C2、C3有两种可能的器件应用情况。第一种情况是位于控制器IC内部，满足容量³90nF，电压³100V耐压;第二种情况是，如果用的不是Flexisafe的电容，则需要用两个电容串联并且以垂直布局的方式来设计。C3容量³180nF，电压³50V耐压。

R2、L1：这两个器件属于可选器件。取决于EMC实验中辐射抗扰度的通过情况来选用，L1通常选用45~105µH、饱和电流为150mA的电感。如果实验通过则直接就用R2(0Ω)直通。

Z1：这个齐纳二极管是作为ESD保护的作用。需要选用击穿电压在27V的齐纳二极管，这样才可以使外部的高电压在经过齐纳二极管到达LIN收发器的PIN脚时不至于击穿。以TJA1021(NXP公司)为例，数据手册(见图2)中显示LIN引脚最大耐受电压为±40V，为了考虑兼容其他半导体公司的收发器LIN引脚极限值和为了保证一定的冗余电压，用双向的齐纳二极管将外部电压钳位在±27V。还需要注意的是在PCB布线的时候，Z1必须尽可能地靠近连接器，这样才有更好的ESD保护效果。

综上所述，除了以上的设计需求，还有以下的一些注意事项(并不区分先后顺序和优先级)在设计中必须同等对待。

● LIN收发器的布局位置必须尽可能地靠近车载控制器的连接器，其他的IC不允许放置在LIN收发器的附近。

● LIN收发器的地，以及滤波电容、齐纳二极管的地都应该和车载控制器共地。

● C1、C2必须是MLCC电容或等效的器件。

● C2、C3必须尽可能地靠近LIN收发器的电源脚(VCC/VBAT，见图1和图3)。

● 电容100V耐压要求是对于直接和电池端连接的器件的统一要求，对于和LIN收发器端连接的电容，耐压50V就可以。

● 所有ESD器件必须尽可能地靠近车载控制器的连接器。

作者：高杨

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