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    • 汽车架构变化推动CAN总线需求增长
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产研:国产车载CAN IC崛起,能否挑战NXP?

02/20 15:43
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汽车架构变化推动CAN总线需求增长

车载网络正开始从域架构向区域架构迁移,这种方法将使用更少的协议、更少的布线,从而简化和加速车辆中的通信,并最终降低成本。随着自动驾驶技术的发展,预计到2030年,自动驾驶汽车中的ECU单元将增加到120个,传感器数量达到100个,激励器数量增至200个。这一趋势强调了高效、可靠通信网络在汽车设计中的重要性。

不同车载总线的比较,来源:Analog Devices

车载总线作为汽车领域的通信总线,是指用于车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通信网络。其实现了车辆内部各个系统的集成和协调工作。传统车载总线技术种类繁多,目前主要的车载总线类型包括 CAN、LIN、MOST、FlexRay、LVDS、A2B 等,分别在汽车上不同的电子系统进行应用。

传统汽车线束长达1610米,有近300个连接点,总质量约为35公斤,成本超过1000美元,其复杂的布线占用了大量车内空间,限制了汽车向电子化、智能化方向的发展。改用CAN总线后,线束长度可缩短至200-1000米,质量减轻9-17公斤,大幅简化了布线,显著提高了系统的可靠性和实时性。目前市场上80%以上的CAN控制器被用于构建车内网络系统,显示了CAN技术在汽车行业中的广泛应用和重要性。

典型CAN收发器系统应用电路图

CAN(Controller Area Network)是一种博世公司和英特尔公司共同开发的汽车内数据交换的世界标准串行通信协议。它通过双绞线连接多个节点,形成一个总线型、串行、广播式的网络,能够简化电子控制单元(ECU)的设计和安装,减轻布线重量,降低空间要求。CAN控制器接收并处理数据,传递给CAN收发器,后者负责数据的电信号转换和传输。

CAN支持不同速度的网络协议:低速CAN最高125 Kbps,高速CAN最高1 Mbps,以及CAN FD最高15 Mbps。高速CAN主要用于发动机控制、驱动系统、ABS、ESP、仪表和传感器,要求快速稳定的信号传输;低速CAN应用于车内舒适系统如空调、座椅调节等,对实时性要求较低。CAN FD,作为CAN的升级版,提高了传输速率至8Mbps。

CAN总线技术发展历程,来源:与非研究院整理

CAN总线技术自80年代起便因其高性能、易用性和高可靠性在汽车和工业控制领域得到广泛应用。随着技术进步和应用需求的增长,CAN总线面临着数据量和设备数量激增的挑战,特别是在汽车电气化和工业自动化领域。这促使了CAN FD技术的发展,该技术继承了CAN的核心特性,如物理层和仲裁机制,同时引入了可变通讯速率和更长的数据长度,显著提高了网络的数据传输能力和效率。

随着CAN FD标准的推出和国际标准化组织的正式认可,CAN技术的发展进入了一个新的阶段。这一阶段不仅见证了技术的进步,也反映了行业对高效率、高可靠性通讯协议的不断追求。CAN总线和CAN FD技术的成功实施,极大地推动了汽车电子系统的发展,提高了车辆的性能和安全性,同时也为工业控制系统提供了一个高效、可靠的通讯解决方案。

车载CAN IC主要应用及特点

车载CAN&LIN收发器的主要应用场景,来源:芯力特

在现代汽车应用中,随着电气化和智能化的发展,车内电控单元(ECU)数量可能达到70个以上,涵盖引擎控制、传动系统、安全气囊、ABS、巡航控制、电动助力转向(EPS)、音响系统、门窗控制以及电池管理等。这些ECU之间的互连对于实现汽车的安全、经济和便利性至关重要。CAN总线技术,作为实现这些ECU数据传输的主要方式,极大地简化了车内电子系统的布线复杂度和成本,促进了点对点连接向总线式连接的转变。

CAN总线不仅在汽车控制系统中广泛应用,还在汽车诊断领域发挥着重要作用,使得ECU能够快速获取诊断信息。其多主控(Multi-Master)线性拓扑结构、通过消息标识符实现的寻址机制以及基于消息优先级的冲突检测和仲裁机制(CSMA/CD+AMP),共同确保了CAN总线的高效和可靠性。CAN总线的这些特点,如广播式消息传输、事件驱动通信、以及消息标识符寻址等,使得在总线上添加节点变得更加灵活。

车载CAN IC主要应用及特点,来源:与非研究院整理

CAN总线在汽车电子领域内的多样化应用,涉及从基础的车身控制到高级的驾驶辅助系统等多个方面。CAN总线因其高可靠性、低成本和灵活性,在汽车电子领域得到了广泛的应用。随着汽车向电动化、智能化发展,对于CAN总线的依赖预计将继续增长。

在全球范围内,CAN技术由于其标准化和开放性,已成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的重要标准。随着技术的不断发展和应用的不断扩展,CAN总线和CAN FD技术将继续在智能交通系统智能制造等领域发挥其关键作用,推动相关行业的技术进步和产业升级。

国产车载CAN IC崛起,能否挑战NXP垄断地位?

1987年,Intel和Philips推出了第一款CAN控制器芯片,标志着CAN技术在汽车电子化领域的应用开始商业化。到2019年,中国汽车工业协会统计分析显示,中国汽车产量达到2572万辆,国内市场对CAN通讯芯片的需求达到了约30亿元人民币。估算显示,国内每年需求CAN芯片约12.5亿颗,全球需求超过45亿颗。LIN芯片年使用量约1亿颗,年增长率约为13%,其中CAN/LIN SBC芯片约占总市场的10%。

市场上主要的CAN/LIN芯片供应商包括NXP德州仪器(TI)、英飞凌瑞萨意法半导体安森美,以及国内的北京君正、芯力特等。其中NXP在全球市场占据垄断地位,而TI和安森美通过价格策略逐步提升了市占率。

国产CAN/LIN/SBC芯片的研发起步较晚,因为车规等级的芯片研发周期长、难度大、成本高,而且单个芯片售价不高、单个客户的采购量不大,且客户众多而且分布广泛。该市场的售价已经被国外厂商掌握,因此大多数国内公司更加关注于某一两款特定芯片,以争夺细分市场。目前国内通过能实现AEC-Q100能力的公司并不多,所以该类产品留给国内公司的市场空间巨大。随着2022年车规芯片的大缺货,目前各大国产厂商纷纷加速进入CAN IC市场进行布局。

包括金升阳、川土微电子、芯力特、北京君正、络明芯、3PEAK、英飞凌、茂睿芯、Holtek、晶焱科技、信路达等公司通过技术创新和产品优化,提供了一系列支持CAN和CAN FD协议的收发器芯片。这些芯片不仅支持高速数据传输,而且具备低功耗、高可靠性、强大的电磁兼容性(EMC)和静电放电(ESD)保护功能,能够适应恶劣的汽车应用环境。

尽管市场前景广阔,但车载网络领域的技术挑战仍然存在。如何在保证高数据传输速率的同时,进一步提高系统的可靠性和安全性,减少外部干扰,提高电磁兼容性,是厂商们面临的主要技术难题。此外,随着5G物联网(IoT)等新技术的融合应用,未来车载网络将更加复杂,对收发器芯片的性能提出了更高的要求。

在汽车电子和智能化快速发展的背景下,国产半导体制造商推出的CAN总线和CAN FD收发器芯片在提升通讯速率、降低功耗、增强电磁兼容性(EMC)和静电放电(ESD)保护方面竞争激烈。以目前市面上主流的CAN控制器产品——NXP的TJA1055T/3/1J为例,目前各大国产厂商都推出替代的IC产品,有不少在技术参数上都更具优势,以下为与非研究院整理的部分CAN IC玩家及产品介绍:

  1. NXP - TJA1055T/3/1J

NXP的TJA1055T/3/1J是针对低速应用设计的接口控制器,提供差分接收和发送功能,适用于乘用车最高125 kBd。它是TJA1054和TJA1054A的增强版,提供额外的改进,如更好的错误处理能力和在异常情况下的单线传输模式,确保了更高的通信可靠性。

  1. 金升阳 - SCM3425ASA

金升阳的SCM3425ASA是满足AEC-Q100车规级测试的CAN总线收发器,支持CAN FD。其耐压能力为-42V~42V,具有出色的电磁干扰(EMI)防护和极低的电磁辐射能量,保证了在恶劣环境下的稳定运行。

  1. 川土微电子 - CA-IF1042VS-Q1

川土微电子的CA-IF1042VS-Q1是车规级CAN收发器,获得德国C&S兼容性认证和AEC-Q100 Grade 1认证。其通过C&S兼容性认证意味着该产品能够与主流通讯网络无障碍地互联互通,为整车系统提供了广泛的适应性。

  1. 芯力特

芯力特在CAN/LIN芯片领域处于领先地位,其产品基于BCD工艺,满足车载市场和其他新兴市场的应用需求。自2018年成功量产国内第一款自主研发CAN总线收发器芯片以来,芯力特已发布二十余款CAN/CAN FD/LIN收发器芯片,累计出货量超过1亿颗,打破了国外的技术垄断。

  1. 北京君正 - Lumissil

北京君正旗下的Lumissil品牌推出了CAN SBC IS32IO1163和LIN SBC IS32IO1028芯片,支持CAN FD并符合多项国际标准。这些芯片集成了LDO及CAN收发器,提供了强大的ESD保护能力和抗电磁辐射能力,适用于各种车载网络系统。

  1. 络明芯

络明芯推出的LIN SBC和CAN FD SBC芯片通过AEC-Q100 grade 2认证,为车载网络提供了稳健可靠的通讯解决方案。这些新的SBC芯片满足了汽车电子复杂化、智能化需求的不断增长,提供了更大的价值和更好的通讯实现。

  1. 3PEAK - TPT1145Q等系列

3PEAK的TPT1145Q等系列芯片提供高速CAN收发功能,符合ISO11898-2:2016规范,支持高达5Mbps的CAN FD。这些产品具有超低功耗睡眠模式和强大的±10 kV IEC61000-4-2接触放电保护,确保了高性能和高可靠性。

市场主流CAN IC厂商及产品(部分),来源:与非研究院整理

车载CAN总线的五大发展趋势

在过去,汽车网络的运行速度普遍低于100Mbps。然而,随着汽车开始根据各个区域的输入做出更为重要的决策,数千兆位的速度将被引入车辆中以实现数据的快速移动。这种变化预示着汽车通信网络的重大转型,其中10/100/1000BASE-T1汽车以太网和低速总线(如CAN及其变体)将在很长一段时间内继续为大多数低速通信提供服务。

由于CAN总线技术的局限性,特别是在最高传输速率仅为1Mbps的背景下,对于数据密集型的应用场景,如自动驾驶和多媒体传输,这种传统的通信协议显得力不从心。为了应对日益增长的数据传输需求,行业内部开始发展新的通信协议和技术,包括CAN FD、MOST、LVDS和以太网等,以满足更高数据传输速率的需求。

随着高档乘用车车载电子装置的迅速增加,CAN总线的应用使整车控制系统形成“局部成网、区域互联”的格局。展望未来,关于下一代CAN通信技术的讨论在业界激烈进行中。

在新一代汽车通信网络中,CAN FD技术被视为一项重要进展。与传统CAN相比,CAN FD能够以更高的速度传输更多数据,最大数据传输速率可达5Mbps,数据有效负荷增加8倍,达到最高支持64字节。这使得CAN FD成为了下一代主流汽车总线系统的有力竞争者。CAN FD的推出,为汽车电子系统提供了更高的通信性能,更好地支持了自动驾驶、高级驾驶辅助系统ADAS)等数据密集型的应用。

2020年第17届国际CAN大会上,CiA协会(CAN in Automation)介绍了第三代CAN通信技术CAN XL(CAN Extra Long)。CAN XL的数据场长度提升至最高2048 byte,速率进一步提升至10Mbps甚至20Mbps。这标志着CAN技术在追求更高速率和更大数据处理能力方面迈出了重要一步。

展望未来,车载网络将会发展成为基于域控制器的混合车载网络架构。在这种架构下,以太网将成为主干网络,而传统的CAN/CAN FD、LIN等将继续在低容量通讯场景下使用。这种混合网络架构,旨在满足高速数据通信的同时,保持系统的灵活性和成本效益。与非研究院认为,未来车载CAN总线的发展将呈现五大主要发展趋势:

1.高数据传输速率和大数据处理能力:

CAN FD(Flexible Data-rate)和CAN XL(Extra Long)技术的出现,提供了比传统CAN更高的数据传输速率(高达5Mbps甚至20Mbps)和更大的数据负载能力(最高2048字节),满足了现代汽车和工业应用中对高速通信和大数据处理的需求。

2.网络集成与功能融合:

为了提高车内电子模块的集成度,适应EE架构由分布式向集中式架构演变的趋势,部分公司已经开始研制功能组合网络功能的车规级芯片。这些芯片的研制,不仅是技术进步的体现,也是对市场需求快速响应的结果。这些芯片融合了以太网、CAN、LIN等多种通信技术,提高了系统集成性和可靠性。

3.向以太网技术的过渡:

虽然CAN总线技术仍将在很长一段时间内继续使用,但以太网技术因其更高的带宽和传输距离,正在逐渐成为主干网络技术。特别是在自动驾驶和高级驾驶辅助系统(ADAS)等数据传输密集型应用中,以太网技术显示出其优越性。

4.安全性和可靠性的提高:

随着汽车行业的快速发展,对网络安全和数据保护的需求也日益增加。CAN和CAN FD网络通过硬件安全模块和专用软件进行消息身份验证,以确保网络的安全性。对于新兴的网络技术,如汽车以太网,也在积极探索采用MACSEC或IPSEC等方式来提高网络的安全性。新的CAN技术和融合技术都强调了增强的安全性和错误处理能力,以确保数据的安全传输和系统的稳定运行。

5.兼容性与互操作性:

新兴的CAN技术和融合技术在设计时考虑了与现有系统的兼容性和互操作性,以便于这些新技术能够平滑过渡到现有的应用中,减少系统升级的复杂性和成本。

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恩智浦半导体创立于2006年,其前身为荷兰飞利浦公司于1953年成立的半导体事业部,总部位于荷兰埃因霍温。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦2010年在美国纳斯达克上市。恩智浦半导体致力于打造全球化解决方案,实现智慧生活,安全连结。

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