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1 高速化と低消費電力要求に応える CAN トランシーバ および機能安全向けシステムベースチップ (SBC) FTF-AUT-F0749 Manabu Ichihashi Field Application Engineer D E C TM External Use

2 アジェンダ 高速化と低消費電力化に応える CAN トランシーバのトレンドとソリューション CAN の市場動向と ISO 規格の進展 CAB FD とパーシャル ネットワークによる物理層へのインパクト フリースケール CAN の EMC 耐性 機能安全向けシステムベーシスチップ (SBC) フリースケールの SBC の概要 機能安全に向けた仕組み エコシステム External Use 1

3 高速化と低消費電力化に応える CAN トランシーバのトレンドとソリューション External Use 2

4 CAN の市場動向と ISO 規格の進展 External Use 3

5 Communication Bandwidth [ bit/s ] TM 帯域幅の増加とコスト 100M 10M 8M 1M 125K 20K 10K CAN FD は 広帯域に対応可能 (x4, x8, x16) ネットワーク構成とコストへの影響が低い プロトコルと物理層への影響は最小限 LIN/J2602 time triggered Master / Slave Body, Powertrain DSI PSI5 Safety, Sensors CAN FD CAN-HS 500kbps CDMA Arbitration Differential, Immune Global Standard FlexRay time triggered TDMA Fault Tolerant Fault Tolerant, By Wire Applications Ethernet, MOST, USB, 1394-Firewire Backbones, Diagnosis Multimedia Relative Cost of Communication [ Cost/node ] External Use 4

6 CAN 物理層に適用される ISO 標準規格 トランシーバ ECU_2 MCU Protocol Layer TxD RxD Trx Rec CAN bus ECU_n ECU_1 標準規格送受信モードオペレーション ISO 送信 - 受信 ( 通常モード ) 物理バスへの双方向通信インタフェース ISO 低消費電力モードとウェイクアップ任意の CAN フレームでウェイクアップ ISO パーシャル ネットワーク選択式ウェイクアップ ( フレーム検出モード ) 専用フレームでウェイクアップ (ISO ) エラー管理 CAN FDとパーシャル ネットワーク CAN FDは ISO の新スペックで反映 ISO , -5, -6 はISO のスペックに統合 EMC/ESD のターゲット レベルと限界値は強化の方向 パーシャル ネットワークによる試験の追加要求 物理層本来の機能と性能の向上が必要 External Use 5

7 MC33901/34901 シングル ハイスピード CAN トランシーバ 差別化のポイント システムでの性能とコスト : 1Mbps のシステムに対応可能で且つチョークコイルなしで EMC 性能満足 効率 : 低消費電力モードにおける低無信号時電流 (down to 8µA) スケーラビリティ : 車載とインダストリアル市場に向けてウェイクアップ機能の有無で 4 製品を展開 製品の特長 CAN 標準規格 ISO and -5 に準拠した機能とピン互換 マイコンのロジックレベル 3.3V, 5V どちらにも互換性のある I/O (SPI) 低消費電力モードとウェイクアップ ノイズ耐性 : ESD: チョーク不要 +-8 kv ESD contact discharge according to IEC , 150 pf-330ω ノイズイミュニティ : チョーク不要 外部保護なしで 36 dbm DPI を満足 キャパシタ付きで 39 dbm DPI を満足 バスからのトランジェントに対する保護 パッケージ :SOIC-8 Automotive Timeout Industrial No Timeout Wake Up MC33901W MC34901W Typical Applications All automotive and industrial applications using CAN High Speed network Power train and safety (automotive) Motor control safety critical (industrial) Robotics (industrial) Factory automation (industrial) Standard MC33901S MC34901S External Use 6

8 MC3xCM0902 デュアル ハイスピード CAN トランシーバ 差別化のポイント システムでの性能とコスト : 1Mbps のシステムに対応可能で且つチョークコイルなしで EMC 性能満足 効率 : 低消費電力モードにおける低無信号時電流 (down to 15µA) スケーラビリティ : 車載とインダストリアル市場をサポート Automotive: MC33CM0902 (Tx dominant timeout) Industrial: MC34CM0902 (No timeout, low baud rate applications) 製品の特長 CAN 標準規格 ISO and -5 に準拠した機能とピン互換 マイコンのロジックレベル3.3V, 5Vどちらにも互換性のあるI/O (SPI) Vdd とIO 電圧のモニタ ( フェイルセーフ機能向け ) 低消費電力モードとウェイクアップ ノイズ耐性 : ESD: チョーク不要 +-8 kv ESD contact discharge according to IEC , 150 pf-330ω ノイズイミュニティ : チョーク不要外部保護なしで36 dbm DPIを満足キャパシタ付きで 39 dbm DPI を満足 バスからのトランジェントに対する保護 パッケージ : SOIC-14, DFN14eP SO14 DFN14eP Typical Applications All automotive and industrial applications using CAN High Speed network Power train and safety (automotive) Motor control safety critical (industrial) Robotics (industrial) Factory automation (industrial) External Use 7

9 EMC 耐性 External Use 8

10 EMC 試験 DPI 法 DPI(Direct Power Injection: 直接電力注入 ) RF Power Injection Test Signals Test board RxD tolerance 合否判定基準 +/-10% External Use 9

11 EMC 試験 DPI 2 Mbps 供試品 :MC33901 シングル ハイスピード CAN トランシーバ 45 dbm 40 Powers Forward power Requirement level Target 45 dbm 40 Pow ers Forw ard pow er Requirement level Target #DPI12 -with CMC, Normal mode 2Mb/S (TxD 1 MHz) - Masks on RXC1 to 3 1 MHz 10 M 100 M 1 GHz CW MHz 10 M 100 M Maximum test level Freescale CAN IP measurement 1 GHz AM (80%, 1kHz) German Automotive makers limits フリースケールの最新ハイスピード CAN トランシーバ MC33901 は CAN FD 想定の 2Mbps で EMI テストに合格 ( チョークあり ) External Use 10

12 EMC 試験 CE 法 CE(Conducted Emission: 伝導妨害波 ) EMI Receiver Test Board Mode Control and Test Signals TxD Spectrum External Use 11

13 dbµv dbµv kHz 150kHz 1M 1M 10M Frequency (MHz) 10M Frequency (MHz) TM 100M 100M 1GHz 1GHz EMC 試験 CE 500kbps, 2 Mbps 2us/bit (500kb/s) チョークなし 500kbps はコモンモード チョーク不要 2Mbps では ノイズスペクトラムが高周波側にシフト ノイズレベルが若干増加 500ns/bit (2Mb/s) チョークなし コモンモード チョークが必要 バスドライバ最適化シミュレーション 最適化前 500ns/bit (2Mb/s) チョークあり 2Mbps 最適化後 バスドライバ最適化によるシミュレーション結果では目標レベルを達成 External Use 12

14 フレキシブル データとパーシャル ネットワークによる CAN トランシーバへのインパクト External Use 13

15 ハイスピード CAN トランシーバ簡易化アーキテクチャ ISO and -5 Recessive level Dominant level Vbat TxD CAN Bus 2.5V Logic 1 Logic 0 Wake up report sleep 2.5V Wake up receiver 25k +5V RxD Bit representation CAN Protocol (in MCU) Rxd Txd Un powered Differential receiver CAN H Pre CAN L driver 120//120 2us/bit (500kb/s) TxD CAN Bus RxD External Use 14

16 500 kbps, 2, 4, 8 Mbps の信号波形 (ISO 試験条件 :60Ω / 100 pf) 2us/bit (500kb/s) 500ns/bit (2Mb/s) TxD TxD CAN Bus RxD X4 CAN Bus RxD X8 500kb/s 2Mb/s 250ns/bit (4Mb/s) 125ns/bit (8Mb/s) TxD TxD CAN Bus CAN Bus RxD 4Mb/s RxD 8Mb/s External Use 15

17 CAN FD に伴う新しいタイミングの提案 通信速度の高速化に伴い 現行の物理層の性能と ISO ,-5 の試験条件を基にリセッシブレベルの最小期間の確保が必要 他社の 2Mbps 向け製品と同調していく必要がある External Use 16

18 ISO , パーシャル ネットワークの物理層 特性と特長 : フレーム検出モード時の消費電力 <500μA < 動作条件 > 2.5 V のバス バイアス電圧 精密差動受信と EMC 耐性を維持 CAN フレームデコード回路 オシレータの正確性と安定性 CAN フレームのデコードを実現のためのタイミング要求を満足 スリープモード時の消費電流 Vio Rxd Txd MOSI MISO SCLK CSB ISO Standalone Physical Layer Block diagram (14 pins) with Selective Wake Up function Bias 2.5V Level Shift Norm. & Frame Detect Wake Up Pattern detector sleep Un powered Differential receiver CAN Frame decoder Compare Rin Rin Sleep Receiver Pre driver Wake Up Frame Control /Configuration/Error counter Clock Vbat VDD CAN H CANL GND INH INH LOCAL WAKE WAKE External Use 17

19 パーシャル ネットワーク対応 CAN FD ソリューション 特長 バッテリ電圧 : 24 V システム :4.5 V to 54 V (85 V Max rating) 12 V システム :4.5 V to 36 V (40 V MAX) ISO : スリープモード時電流 10 ua typical ( Wake Up Pattern detect mode) ISO : パーシャル ネットワーク フレーム検出モード時の消費電流 :500 ua max フレキシブル データ (CAN FD) 5 Mbps ~ 8 Mbps (choke-less) EMC not critical 2 Mbps (choke-less): EMC certified with typical CAN criteria 低消費電力モード Sleep 20 ua Max; standby 50 ua; frame detect 500 ua Max WAKE 入力 :Low High または Hight Low への遷移をトリガにウェイクアップ INH 出力 : マイコン用レギュレータの制御に使用 VDD :CAN インタフェース用電源 (4.5 V 5.5 V) パッケージ :SOIC-14, DFN-14 動作温度 :40 to 125 C Vio Rxd Txd MOSI MISO SCLK CSB INH Bias 2.5V Level Shift Norm. & Frame Detect sleep Wake Up Pattern Detector Un powered Differential receiver CAN Frame Decoder Compare Rin Rin Sleep Receiver Pre driver Wake Up Frame Control/ Configuration/ Error counter Clock Vbat VDD CAN H CANL GND INH LOCAL WAKE WAKE Device Block Diagram SO14 DFN14eP External Use 18

20 MC33901 / MC34901 エコシステム MC33901 評価ボード 品番 :KIT33901EFEVB テクニカル サポート データシート EMC, ESD レポート 評価ボード説明書 External Use 19

21 機能安全向けシステムベーシスチップ (SBC) External Use 20

22 システムベーシスチップの概要 External Use 21

23 フリースケールの SBC 製品区分標準品によるスケーラブルなソリューション Physical Layer entrysbcs SBC with LDO PowerSBCs Safe SBC with DC/DC BUS Vbat Vreg INH CAN P/L Vdd MCU BUS Vbat Vreg LDO CAN P/L Vdd 8/16bit MCU BUS Vbat Vreg LDO s Safety CAN P/L LIN P/L Vdd Vaux RST INT SAFE 16/32bit MCU BUS Vbat Vreg DC/DC+ LDO s Safety CAN P/L LIN P/L Vcore Vcca Vaux RST INT SAFE 32bit MCU High Robustness EMC/ESD Design for Cost CAN FD & CAN Partial Networking Simple Low Power Modes Robustness Design for Cost Ultra Low Power Modes Flexible Power Management Medium Functional Safety 高効率 (>85%) 高い許容電流 (up to 2.0A) 高い機能安全に対応 (fit for ASILD applications) MC33907/8 Part of this family segment External Use 22

24 MC33907 and MC33908 採用例 PT / Engine Management MC Platforms (with MPC5644A) PT / Gear Box, Transmission, Torque MC Platforms (with MPC5643L) PT / EV, HEV, Batt Mgt MC Platfoms S&C / Suspension Platforms S&C / Steering Platforms (with MPC5643L) S&C / ADAS MC Platform (with MPC5643L/5744P) External Use 23

25 MC33907/8 昇圧 / 降圧プリレギュレータ内蔵 SBC 高効率 DC/DCコンバータと低電圧動作を備えた機能安全対応システムベーシスチップ (SBC) 差別化のポイント バッテリ電圧 2.7Vまで動作 デュアルDC/DCコンバータによる高い効率性 クリティカルなパラメータを個別監視 Typical Block Diagram 製品の特長 フレキシブルな昇降圧 DC/DC プリレギュレータにより LV124 に適合 1.5 A まで供給可能なマルチ電源 低消費電力モード (30µA), -50% versus competition アナログ マルチプレクサとバッテリセンサを内蔵 機能安全をサポートする独立したフェイルセーフ ステートマシンを搭載 堅牢なシリアル通信インタフェース 優れた EMI/ESD 特性を備えた CAN/LIN 物理層 標準的なアプリケーション Power management External Use 24 Functional safety integration Safety Critical Motor Control

26 セーフティの実装 External Use 25

27 MC33907/8 の機能安全に対するコンセプト PowerSBC が備える 4 つのセーフティ機能 : 1 電源の監視 過電圧検出 低電圧検出 個別に各電源を監視 2 フェイルセーフ入力 マイコンからのエラー信号監視 外部アナログ IC のエラー信号処理 3 ウォッチドッグ ウィンドウウォッチドッグ (1~1024ms) SPI リフレッシュ Question / Answer 方式 I/O[0:1] I/O[2:3] I/O[4:5] MC33907_8 / PC33907L_8L Boost Driver Vpre 440kHz Buck Battery sense Configurable I/Os (6) Fail フェイル Safe セーフ入力 Inputs Analog & Digital BIST 電圧監視 Vcore 2.4MHz 1.2V or 3.3V configurable Energy Management State Machine Fail Safe State Machine VCCA / 5.0V VAUX 3.3 / 5.0V Vcan - 5.0V Analog Multiplexer INT ウォッチドッグ Secured SPI Question/ Answer Vcore Vpre Vaux Vcca Vcan MISO MOSI SCLK NCS 4 フェイルセーフ出力 RSTB マイコンのリセット (active Low) FS0B システムの遮断 (active Low) CAN Physical Layer LIN Physical Layer 2.5 V Ref. Temp. RST フェイルセーフ出力 FS0B RSTB External Use 26

28 MC33907/8 フェイルセーフ入力 FCCU* IO 2, 3 フリースケールの Qorriva マイコンは FCCU で処理したフォルト状態を出力 (Bistable protocol) MC33907/8 の I/O 2&3 で FCCU の状態をモニタ エラー内容に応じたフェイルセーフステートに反映 I/O 2/3 Vcore FCCU IO 1 I/O 1 Vcore 電圧の変動をモニタ 外部 IC IO 0,1 & 4,5 外部 IC のエラー検出とマイコンへの処理判断通知 I/O 0/1 I/O 4/ /8 Qorriva MCU *FCCU: Fault Collection Control Unit Added Values Unique MCU Safety Monitoring Redundant IC safety checks Redundant Vcore monitoring External Use 27

29 MC33907/8 タイミングモニタ ( ウォッチドッグ ) W/D Secured SPI ウォッチドッグリフレッシュウィンドウ クローズウィンドウ オープンウィンドウ /8 疑似ランダムコードの生成 (LFSR) 2 Qorivva MCU マイコンがコードを取得 WD refresh NOK WD refresh OK 3 関数を用いて計算 3 関数を用いて計算 5 計算結果を比較 4 マイコンから計算結果を送信 結果が一致 次のランダムコードを発行結果が不一致 ウォッチドッグ エラー Added Values Independent timing monitoring W/D error handling through a Fail Safe Machine Fail Safe state Activation Configurable window (1 to 1024ms) External Use 28

30 MC33907/8 ウォッチドッグの初期化とエラーテーブル 初期化 : 1. リセットをリリース (RSTb=1) 2. 初期化フェーズ INIT FS として 256ms のタイマ開始 ウォッチドッグのウィンドウ期間を設定 ランダムコードの取得 (LFSR) その他の設定を実施 (either Fail Safe or Functional) (+1) 3. 最初のウォッチドッグ リフレッシュを実行して初期化フェーズを終了 ウォッチドッグ ウィンドウ開始 ウォッチドッグのエラーテーブル : クローズ ウィンドウ期間中のリフレッシュ エラー オープン ウィンドウ期間に不正リフレッシュ エラー オープン ウィンドウ期間にリフレッシュなし エラー External Use 29

31 MC33907/8 ウォッチドッグエラーとリセットエラーのマネージメント ** * ウォッチドッグ エラーカウンタ : 不正リフレッシュをカウント NOK +2; OK -1 ウォッチドッグ リフレッシュカウンタ : 正しいリフレッシュをカウント refresh counter=7 RST error counter=-1 リセットエラー カウンタ : リセット イベントをカウント WD error counter=6 Reset active (RSTb=0) ** * External Use 30

32 MC33907/8 フェイルセーフ出力 エラーに対する処理 : 電圧監視 Vcore 変動 FCCU モニタ ウォッチドッグ (counter) BIST リセットのマネージメント (RSTb) リセット イベントに応じてActive Low RSTb FS0b 33907/8 RSTb FS0b Qorivva MCU フェイルセーフ信号 (FS0b) フォルト検出に応じて Active Low Added Values External Safety Path Independent output pins to manage Fail Safe State External Use 31

33 提供ドキュメント Attach Strategy Enablement AN4442 MPC5643L and MC33907/08 for Safety Applications AN4766 MC33907/08 A.N. & PCB guidelines Designing the Vcore Compensation Network SafeAssure Safety Manual SafeAssure FMEDA White Paper External Use 32

34 MC33907/8 業界認定状況 CAN Elect. Conformance EMC/ESD Conformance Safety Assessment C&S granted Velio granted IBEE Zwickau granted PCB Design guideline Application note Architecture and Concept positively Assessed by TUV SUD External Use 33

35 エコシステム External Use 34

36 MC33907 / MC33908 エコシステム Quick performance Evaluation Board (EVB) Easy-to-use EVB for MC33907AE and MC33908AE KIT33908AEEVB and KIT33907AEEVB (with GUI) Attach Strategy : Easy to Design Evaluation Module (EVM) Mother Board MC KIT33908MBEVBE Daughter Board MPC5643L - KITMPC5643DBEVM (+ SW) Complete kit part number KIT EVM (+ SW) Panther Daughter board coming soon テクニカル サポート データシート EMC/ESDレポート アプリケーション ノート (AN4442, AN4661, AN4843, AN4766, MPC5744PEV144UG) SafeAssure 関連ドキュメント (FMEDA, Safety Manual) External Use 35

37 まとめ フリースケールのハイスピード CAN はチョークコイルなくても EMC 耐性を維持しますコスト削減に貢献 フリースケールは CAN FD とパーシャル ネットワークへ注力して行きます市場動向にアライン フリースケールのシステムベーシスチップは先進的なセーフティ機能を提供しますシステムとしてのアドバンテージ フリースケールのシステムベーシスチップはシステムでの機能安全導入に向けた各種技術資料を用意しています機能安全開発期間の短縮 External Use 36

38 Freescale Semiconductor, Inc. External Use

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