External Use

TM

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

D E C . 0 4 . 2 0 1 4

Manabu Ichihashi | Field Application Engineer

TM

External Use 1

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

TM

External Use 2

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

TM

External Use 3

CAN の市場動向とISO規格の進展

TM

External Use 4

DSI – PSI5

100M

20K

10M

1M

125K

Co

mm

un

icati

on

Ba

nd

wid

th [

bit

/s ]

Relative Cost of Communication [ Cost/node ] 0.5 1 2.5 5

Backbones, Diagnosis

Multimedia

帯域幅の増加とコスト

10K

8M CAN FD

CAN-HS 500kbps

CDMA Arbitration

Differential, Immune

FlexRay time triggered TDMA Fault Tolerant

Ethernet,

MOST, USB,

1394-Firewire

LIN/J2602 time triggered Master / Slave

Fault Tolerant,

By Wire Applications

Safety, Sensors

Global Standard

Body, Powertrain

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

TM

External Use 5

CAN物理層に適用されるISO標準規格

• CAN FDとパーシャル・ネットワーク

− CAN FDは ISO11898-1の新スペックで反映

− ISO11898 -2, -5, -6 はISO11898-2 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

標準規格 送受信モード オペレーション

ISO11898-2 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

ISO11898-5 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

ISO11898-6 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 (ISO11898-1)

エラー管理

MCU

Protocol

Layer

Trx

Rec

TxD

RxD

トランシーバ

ECU_1

CAN bus

ECU_n

ECU_2

TM

External Use 6

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 ISO11898-2 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 IEC61000-4-2, 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

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)

Automotive

Timeout

Industrial

No Timeout

Wake Up MC33901W MC34901W

Standard MC33901S MC34901S

TM

External Use 7

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 ISO11898-2 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 IEC61000-4-2, 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

MC3xCM0902 デュアル･ハイスピードCAN トランシーバ

DFN14eP SO14

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)

TM

External Use 8

EMC 耐性

TM

External Use 9

EMC試験 DPI法

RxD tolerance

RF Power Injection

Test board

Test Signals

合否判定基準

+/-10%

DPI（Direct Power Injection：直接電力注入）

TM

External Use 10

EMC試験 DPI法による結果 @ 2 Mbps

Forward power

Requirement level

Target

45

dBm

0

40

35

30

25

20

15

10

5

CW

1 GHz 1 MHz 10 M 100 M

Powers

Forw ard pow er

Requirement level

Target

45

dBm

0

40

35

30

25

20

15

10

5

AM (80%, 1kHz)

1 GHz1 MHz 10 M 100 M

Pow ers

•#DPI12 -with CMC, Normal mode

2Mb/S (TxD 1 MHz) - Masks on RXC1 to 3

German Automotive makers’ limits

Freescale CAN IP measurement

Maximum test level

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）

供試品：MC33901 シングル･ハイスピードCAN トランシーバ

TM

External Use 11

EMC 試験 CE法

EMI Receiver

Test Board

Mode Control

and

Test Signals

TxD

Spectrum

CE（Conducted Emission：伝導妨害波）

TM

External Use 12

500ns/bit (2Mb/s)

チョークあり

150kHz 1GHz10M1M 100M

Frequency (MHz)

-20

80

dBµV

0

60

30

0

50

20

-10

70

40

10

2us/bit (500kb/s)

チョークなし

150kHz 1GHz10M1M 100M

Frequency (MHz)

-20

80

dBµV

0

60

30

0

50

20

-10

70

40

10

500ns/bit (2Mb/s)

チョークなし

2Mbps

• 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

−コモンモード・チョークが必要

−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

EMC 試験 CE法による結果 @ 500kbps, 2 Mbps

バスドライバ最適化シミュレーション

最適化前

最適化後

TM

External Use 13

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

TM

External Use 14

ハイスピード CAN トランシーバ

簡易化アーキテクチャ ISO11898-2 and -5

TxD

CAN Bus

RxD

Bit representation

Logic “1” Logic “0”

2.5V

Dominant

level

Recessive

level

+5V

Pre

driver 120//120

2.5V

25k

CAN H

CAN L Txd

Rxd Differential

receiver

sleep

Wake up

receiver

Vbat

Un powered

CAN

Protocol

(in MCU)

Wake up

report

2us/bit (500kb/s)

TxD

RxD

CAN

Bus

TM

External Use 15

500 kbps, 2, 4, 8 Mbpsの信号波形

(ISO11898-2 試験条件：60Ω / 100 pF)

2us/bit (500kb/s)

500kb/s

TxD

RxD

CAN

Bus

500ns/bit (2Mb/s)

X4

2Mb/s

TxD

RxD

CAN

Bus

125ns/bit (8Mb/s)

8Mb/s

TxD

RxD

CAN

Bus

250ns/bit (4Mb/s)

X8

4Mb/s

TxD

RxD

CAN

Bus

TM

External Use 16

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ISO11898-2,-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

TM

External Use 17

ISO11898-6, パーシャル・ネットワークの物理層

ISO11898-6 Standalone Physical

Layer Block diagram (14 pins)

with Selective Wake Up function

Vbat

MOSI

MISO

SCLK

CSB

VDD

CAN H

CANL

Txd

Rxd Differential

receiver

sleep

Un powered

CAN Frame

decoder

Wake Up Frame

Compare

Clock

Control /Configuration/Error counter

Bias

2.5V

Vio

GND Level

Shift

INH LOCAL WAKE WAKE INH

Rin

Wake Up

Pattern

detector

Norm. & Frame Detect Rin

Sleep

Receiver

Pre

driver

• 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

TM

External Use 18

パーシャル・ネットワーク対応 CAN FDソリューション

DFN14eP SO14

Vbat

MOSI

MISO

SCLK

CSB

VDD

CAN H

CANL

Txd

Rxd Differential

receiver

sleep

Un powered

CAN Frame

Decoder

Wake Up Frame

Compare

Clock

Control/ Configuration/ Error counter

Bias

2.5V

Vio

Level

Shift

GND

INH LOCAL WAKE WAKE INH

Rin

Wake Up

Pattern

Detector

Norm. & Frame Detect Rin

Sleep

Receiver

Pre

driver

Device Block Diagram

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)

• ISO11898-5: スリープモード時電流 10 uA typical (“Wake Up Pattern” detect

mode)

• ISO11898-6: 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

TM

External Use 19

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

TM

External Use 20

機能安全向けシステムベーシスチップ (SBC)

TM

External Use 21

システムベーシスチップの概要

TM

External Use 22

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

CAN P/L

Vreg

LDO

Vbat

Vdd

BUS

8/16bit

MCU

entrySBCs

Simple Low Power Modes

Robustness

Design for Cost

Vdd

CAN P/L

Vreg

BUS

INH MCU

Vbat

Physical Layer

High Robustness EMC/ESD

Design for Cost

CAN FD & CAN Partial Networking

Vbat

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)

32bit

MCU 16/32bit

MCU

Vdd

Vbat

RST

CAN P/L

Vreg LDO’s

BUS

Ultra Low Power Modes

Flexible Power Management

Medium Functional Safety

LIN P/L

Safety INT

Vaux

SAFE

CAN P/L

BUS LIN P/L

Safety

Vreg DC/DC+ LDO’s

Vcore

Vcca

Vaux

SAFE

RST INT

PowerSBCs Safe SBC with DC/DC SBC with LDO

MC33907/8 Part of this family

segment

TM

External Use 23

PT / Engine Management

MC33908 5 Platforms (with MPC5644A)

S&C / ADAS

MC33907 1 Platform (with MPC5643L/5744P)

S&C / Suspension

33908 3 Platforms

S&C / Steering

33907 2 Platforms (with MPC5643L)

MC33907 and MC33908 採用例

PT / EV, HEV, Batt Mgt

MC33907 3 Platfoms

PT / Gear Box, Transmission, Torque

MC33907 2 Platforms (with MPC5643L)

TM

External Use 24

MC33907/8 昇圧／降圧プリレギュレータ内蔵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

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

• Functional safety integration

• Safety Critical Motor Control

Typical Block Diagram

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)

TM

External Use 25

セーフティの実装

TM

External Use 26

MC33907_8 / PC33907L_8L

VAUX 3.3 / 5.0V

VCCA - 3.3 / 5.0V

Vcore 2.4MHz

1.2V or 3.3V configurable

LIN

Physical Layer

Boost Driver

Vpre

440kHz Buck

Configurable

I/Os (6)

Fail Safe

Inputs Secured SPI

INT Energy

Management

State Machine ウォッチ

ドッグ

Vcan - 5.0V

CAN

Physical Layer

Battery sense

Analog Multiplexer

2.5 V

Ref.

Temp.

電圧監視

フェイル

セーフ出力

RST

Fail Safe

State

Machine

Question/

Answer

Analog

& Digital

BIST

フェイル

セーフ入力

MC33907/8の機能安全に対するコンセプト

I/O[0:1]

I/O[2:3]

I/O[4:5]

FS0B

RSTB

MISO

MOSI

SCLK

NCS

Vcore

Vpre

Vaux

Vcca

Vcan

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

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)

TM

External Use 27

MC33907/8 フェイルセーフ入力

• FCCU* 信号のモニタ ＠ 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

• コア用電源のモニタ ＠ IO 1

− Vcore電圧の変動をモニタ

• 外部ICのエラーモニタ @ 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

Added Values • Unique MCU Safety Monitoring

• Redundant IC safety checks

• Redundant Vcore monitoring

FCCU I/O 2/3

I/O 1

Qorriva

MCU 33907/8

Vcore

I/O 0/1

I/O 4/5

*FCCU: Fault Collection Control Unit

TM

External Use 28

関数を用いて計算 3 関数を用いて計算 3

MC33907/8 タイミングモニタ（ウォッチドッグ）

Secured SPI

疑似ランダムコードの生成

(LFSR) 1

マイコンがコードを取得 2

マイコンから計算結果を送信

4 計算結果を比較 5

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)

WD

refresh

OK

WD

refresh

NOK

ウォッチドッグ

リフレッシュウィンドウ

オープン

ウィンドウ

クローズ

ウィンドウ

Qorivva

MCU 33907/8

W/D

TM

External Use 29

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)

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

(+1)

TM

External Use 30

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) ** *

*

**

TM

External Use 31

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

• 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

RSTb

FS0b Qorivva

MCU 33907/8

RSTb

FS0b

TM

External Use 32

提供ドキュメント Attach Strategy Enablement

AN4442 – MPC5643L and

MC33907/08 for Safety Applications

Designing the Vcore

Compensation Network

AN4766 – MC33907/08 A.N.

& PCB guidelines

SafeAssure – Safety Manual White Paper SafeAssure – FMEDA

TM

External Use 33

MC33907/8 業界認定状況

C&S granted

Velio granted

IBEE Zwickau

granted

PCB Design guideline

Application note

CAN Elect. Conformance EMC/ESD Conformance

Architecture and

Concept positively

Assessed by TUV

SUD

Safety Assessment

TM

External Use 34

エコシステム

TM

External Use 35

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 MC33908 - KIT33908MBEVBE

− Daughter Board MPC5643L - KITMPC5643DBEVM (+ SW)

− Complete kit part number – KIT908-5643EVM (+ 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)

TM

External Use 36

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

TM

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