Tehnologia CAN bus devine din ce în ce mai răspândită. Cu toate acestea, din cauza interferențelor electromagnetice severe în domenii precum echipamentele industriale și automatizările industriale, asigurarea comunicării normale cu magistrala CAN este deosebit de importantă. Acest articol va analiza cauzele interferențelor electromagnetice în rețelele de magistrală folosind transceiver CAN FD de mare-viteză, precum și soluții specifice pentru îmbunătățire.
Analiza de compatibilitate electromagnetică în rețelele CAN FD
În proiectarea produselor electronice, performanța compatibilității electromagnetice (EMC) are un impact semnificativ asupra sistemului și este esențială pentru funcționarea normală și stabilă a acestuia. Restricțiile obligatorii privind compatibilitatea electromagnetică a produselor electronice au fost deja implementate la nivel mondial, iar performanța EMC a devenit un indicator cheie al calității produsului.
Compatibilitatea electromagnetică cuprinde în primul rând două aspecte: unul este interferența electromagnetică adversă generată de produsul în sine, cunoscută sub numele de emisie de interferență electromagnetică (EMI); celălalt este sensibilitatea produsului la semnalele electromagnetice externe, cunoscută sub numele de susceptibilitate electromagnetică (EMS). Sursa de interferență, calea de cuplare și echipamentul sensibil sunt cele trei elemente esențiale ale compatibilității electromagnetice și niciunul nu poate fi omis.
Semnalele de interferență electromagnetică pot fi cuplate prin două căi: conduse și radiate. În funcție de mecanismul de cuplare, interferența este clasificată în interferență în modul-comun și interferență în modul-diferenţial. Interferența în modul-comună apare între toate liniile de semnal (inclusiv liniile de semnal, liniile de date și liniile de alimentare) și masă, în timp ce interferența în modul-diferențial are loc între liniile de semnal.
Măsurile de îmbunătățire a compatibilității electromagnetice (EMC) se împart în trei categorii: îmbunătățirea performanței EMC a echipamentului electronic în sine, utilizarea tehnologiei de ecranare pentru a suprima cuplarea radiată și utilizarea izolației pentru a suprima cuplarea condusă.
1. Design EMC
Proiectarea plăcilor de circuite master și slave este esențială pentru EMC-ul sistemului, iar capacitatea unei plăci de circuit de a emite și de a primi radiații electromagnetice este adesea consecventă. Prin urmare, îmbunătățirea imunității unei plăci de circuite la interferențe suprimă și emisiile sale electromagnetice. Factorii cheie în proiectarea PCB EMC includ următorii:
Selectarea componentelor și aspectul
Selectați componente cu performanță EMC bună și acordați prioritate ambalajelor cu montare pe suprafață-de câte ori este posibil. Aranjați componentele în mod logic, plasând componentele aferente cât mai aproape una dintre ele pentru a minimiza lungimile cablurilor dintre părți. În special, oscilatoarele cu cristal care servesc ca surse de ceas pentru microcontrolere și controlere CAN trebuie plasate conform specificațiilor; altfel, nu vor oscila.
Dispunerea corectă a pământului pentru a reduce impedanța pământului
Potențialul de masă servește ca potențial de referință pentru toate semnalele. În mod ideal, toate punctele de masă de pe PCB ar trebui să fie la același potențial; cu toate acestea, datorită impedanței la sol, există diferențe de potențial între punctele de masă. Prin urmare, impedanța la sol ar trebui redusă cât mai mult posibil. Cea mai eficientă metodă este să folosiți o placă multistrat cu un plan de masă dedicat în mijloc.
Stabilizarea sursei de alimentare
Condițiile unideale, cum ar fi efectele tranzitorii în timpul tranzițiilor stării de ieșire a porții logice și prezența impedanței liniei de alimentare, introduc inevitabil zgomot în liniile de alimentare. Acest zgomot nu numai că cauzează funcționarea anormală a circuitului, dar generează și radiații electromagnetice semnificative. Pe lângă utilizarea unei plase de linie de alimentare pentru a reduce inductanța și impedanța liniilor de alimentare, pot fi folosiți și condensatori de stocare.
2. Radiații electromagnetice și ecranare electromagnetică
Ecranarea electromagnetică este una dintre metodele cheie pentru abordarea problemelor de compatibilitate electromagnetică. Nu interferează cu funcționarea normală a circuitelor și nu necesită modificări ale circuitului. Eficacitatea unui scut este măsurată prin performanța sa de ecranare, care constă din două componente: pierderea prin reflexie și pierderea prin absorbție. Menținerea continuității electrice a scutului este esențială pentru eficacitatea acestuia. Cablurile de magistrală CAN sunt foarte susceptibile atât la radiație, cât și la recepție.
Zona buclei dintre cele două fire dintr-un cablu-pereche răsucită este foarte mică, iar curenții induși în oricare două bucle adiacente sunt în direcții opuse, anulându-se astfel unul pe celălalt. Cu cât este mai strânsă răsucirea cablului-perechei răsucite, cu atât acest efect devine mai pronunțat. Pentru a reduce diafonia între cele două magistrale CAN din sistemul de rețea, fiecare pereche de cabluri-perechi răsucite ar trebui să fie ecranată separat, iar orice conductor neutilizat din cablu trebuie conectat la masă de semnal.
Creșteți densitatea de răsucire; împământați scutul
3. Interferența condusă și izolarea semnalului
În timpul funcționării normale a sistemului, componentele care generează interferențe conduse semnificative includ surse de alimentare comutatoare, servomotor și dispozitive de control I/O. Cu toate acestea, cel mai dăunător tip de interferență este interferența tranzitorie, care se caracterizează prin durată scurtă, amplitudine mare și putere scăzută.
Formele de interferență tranzitorie includ: grupuri de impulsuri electrice rapide generate atunci când starea unui motor se schimbă; supratensiuni cauzate de fulgere sau{0}}pornire de putere mare pe cabluri; și inducția de descărcare electrostatică (ESD). Interferența condusă este în mod predominant-modul obișnuit, deși apar și unele interferențe în modul-diferenţial. Măsurile EMC utilizate în sistem pentru a asigura fiabilitatea comunicării magistralei CAN includ: protectoare de semnal, diode supresoare de tensiune tranzitorie (TVS), transceiver izolate și izolație optică.
Protector de semnal
Protectoarele externe de semnal dedicate elimină interferențele; de exemplu, ZF-12Y2 absoarbe interferența, iar CANFDbridge-ul acționează ca un izolator.
Protector de semnal și izolare CANFDBridge
Suprimator de tensiune tranzitorie (TVS)
Supresoarele de tensiune tranzitorie sunt conectate în paralel între linia de semnal și împământarea semnalului pentru a proteja cablurile de-supratensiuni de înaltă tensiune cauzate de lovituri de trăsnet sau de descărcare electrostatică. Când tensiunea pe TVS depășește un anumit prag, dispozitivul conduce rapid, disipând astfel energia de supratensiune și limitând amplitudinea tensiunii la un anumit interval.
Transceiver izolate
Izolarea este o soluție ideală pentru abordarea interferențelor conduse, oferind o izolație electrică excelentă și imunitate la interferențe. Atunci când selectați un transceiver izolat, întârzierea transmisiei trebuie să fie principala considerație, deoarece afectează atât distanța de transmisie, cât și calitatea magistralei. Se recomandă utilizarea CTM5MFD izolat magnetic pentru a proiecta circuitul transceiver-ului de interfață.
Izolare optică
Izolarea optică este o soluție ideală pentru rezolvarea problemelor de interferență condusă, deoarece oferă o izolație electrică excelentă și imunitate la interferențe. La selectarea optocuplelor, trebuie luați în considerare doi parametri: întârzierea de propagare și respingerea-modului comun (CMR). Cu condiția ca întârzierea de propagare să îndeplinească cerințele privind viteza de transmisie a transmisiei de date, modelele cu respingere-modului comun ridicat trebuie selectate ori de câte ori este posibil. Metoda de măsurare a capacității de respingere-modului comun a unui optocupler este rata maximă de creștere (scădere) a tensiunii în modul-comun (CMH/CML) pe care o poate suporta ieșirea în timp ce rămâne ridicată (scăzută). După implementarea izolației optice, trebuie folosită și izolarea sursei de alimentare.
Rezumat
Radiația din diverse surse de interferență este complexă, iar eliminarea completă a interferențelor electromagnetice este o sarcină imposibilă. Cu toate acestea, pe baza principiilor fundamentale ale compatibilității electromagnetice, pot fi luate măsuri pentru a minimiza interferența electromagnetică și a le menține în limitele tolerabile ale sistemului, asigurând astfel funcționarea fiabilă a sistemului sau echipamentului. Măsurile de îmbunătățire prezentate mai sus pot îmbunătăți în mod eficient performanța de compatibilitate electromagnetică a dispozitivelor CAN FD.