Technologia magistrali CAN staje się coraz bardziej powszechna. Jednakże ze względu na silne zakłócenia elektromagnetyczne w takich obszarach jak urządzenia przemysłowe i automatyka przemysłowa, szczególnie ważne jest zapewnienie normalnej komunikacji poprzez magistralę CAN. W tym artykule zostaną przeanalizowane przyczyny zakłóceń elektromagnetycznych w sieciach autobusowych wykorzystujących-szybkie transceivery CAN FD, a także konkretne rozwiązania wymagające ulepszeń.
Analiza kompatybilności elektromagnetycznej w sieciach CAN FD
Podczas projektowania produktów elektronicznych kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) ma znaczący wpływ na system i ma kluczowe znaczenie dla jego normalnego i stabilnego działania. Obowiązkowe ograniczenia dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej produktów elektronicznych zostały już wdrożone na całym świecie, a parametry EMC stały się kluczowym wskaźnikiem jakości produktów.
Kompatybilność elektromagnetyczna obejmuje przede wszystkim dwa aspekty: pierwszy to niekorzystne zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez sam produkt, znane jako emisja zakłóceń elektromagnetycznych (EMI); drugim jest wrażliwość produktu na zewnętrzne sygnały elektromagnetyczne, nazywana podatnością elektromagnetyczną (EMS). Źródło zakłóceń, ścieżka sprzęgania i wrażliwy sprzęt to trzy istotne elementy kompatybilności elektromagnetycznej i żadnego nie można pominąć.
Sygnały zakłóceń elektromagnetycznych mogą być sprzęgane dwiema drogami: przewodzoną i promieniowaną. W zależności od mechanizmu sprzęgającego zakłócenia dzieli się na zakłócenia w trybie-wspólnym i zakłócenia w trybie różnicowym-. Zakłócenia w trybie-wspólnym występują pomiędzy wszystkimi liniami sygnałowymi (w tym liniami sygnałowymi, liniami danych i liniami zasilającymi) a masą, natomiast zakłócenia w trybie różnicowym-występują pomiędzy liniami sygnałowymi.
Środki mające na celu poprawę kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) można podzielić na trzy kategorie: zwiększanie parametrów EMC samego sprzętu elektronicznego, stosowanie technologii ekranowania w celu tłumienia sprzężeń promieniowanych oraz stosowanie izolacji w celu tłumienia sprzężeń przewodzonych.
1. Projekt EMC
Konstrukcja głównych i podrzędnych płytek drukowanych ma kluczowe znaczenie dla kompatybilności elektromagnetycznej systemu, a zdolność płytki drukowanej do emitowania i odbierania promieniowania elektromagnetycznego jest często stała. Dlatego też poprawa odporności płytki drukowanej na zakłócenia zmniejsza również jej emisję elektromagnetyczną. Kluczowe czynniki w projektowaniu PCB EMC obejmują:
Wybór komponentów i układ
Wybierz komponenty o dobrych parametrach EMC i, jeśli to możliwe, traktuj priorytetowo opakowania do montażu powierzchniowego. Ułóż komponenty logicznie, umieszczając powiązane komponenty jak najbliżej siebie, aby zminimalizować długości przewodów między częściami. W szczególności oscylatory kwarcowe służące jako źródła zegara dla mikrokontrolerów i sterowników CAN muszą być umieszczone zgodnie ze specyfikacją; w przeciwnym razie nie będą oscylować.
Właściwy układ uziemienia w celu zmniejszenia impedancji uziemienia
Potencjał masy służy jako potencjał odniesienia dla wszystkich sygnałów. W idealnym przypadku wszystkie punkty uziemienia na płytce PCB powinny mieć ten sam potencjał; jednakże ze względu na impedancję uziemienia istnieją różnice potencjałów pomiędzy punktami uziemienia. Dlatego impedancja uziemienia powinna być minimalizowana tak bardzo, jak to możliwe. Najskuteczniejszą metodą jest zastosowanie płyty wielowarstwowej z wydzieloną płaszczyzną podłoża pośrodku.
Stabilizacja zasilania
Warunki uniwersalne, takie jak efekty przejściowe podczas zmian stanów wyjściowych bramki logicznej i obecność impedancji linii energetycznej, nieuchronnie powodują wprowadzenie szumu do linii zasilających. Hałas ten nie tylko powoduje nieprawidłowe działanie obwodu, ale także generuje znaczne promieniowanie elektromagnetyczne. Oprócz stosowania siatki linii elektroenergetycznych w celu zmniejszenia indukcyjności i impedancji linii elektroenergetycznych można również zastosować kondensatory magazynujące.
2. Promieniowanie elektromagnetyczne i ekranowanie elektromagnetyczne
Ekranowanie elektromagnetyczne jest jedną z kluczowych metod rozwiązywania problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną. Nie zakłóca normalnej pracy obwodów i nie wymaga modyfikacji obwodów. Skuteczność osłony mierzy się jej skutecznością ekranowania, na którą składają się dwa elementy: utrata odbicia i utrata absorpcji. Utrzymanie ciągłości elektrycznej osłony ma kluczowe znaczenie dla jej skuteczności. Kable magistrali CAN są bardzo podatne na zakłócenia emitowane i odbierane.
Obszar pętli pomiędzy dwoma przewodami w skrętce-parowej jest bardzo mały, a prądy indukowane w dowolnych dwóch sąsiednich pętlach są w przeciwnych kierunkach, znosząc się w ten sposób. Im mocniej skręcony jest skrętka-, tym wyraźniejszy staje się ten efekt. Aby zmniejszyć przesłuchy między dwiema magistralami CAN w systemie sieciowym, każda para skrętek- powinna być oddzielnie ekranowana, a wszelkie nieużywane żyły w kablu powinny być podłączone do uziemienia sygnałowego.
Zwiększ gęstość skręcania; uziemić tarczę
3. Zakłócenia przewodzone i izolacja sygnału
Podczas normalnej pracy systemu komponentami generującymi znaczne zakłócenia przewodzone są zasilacze impulsowe, serwonapędy i urządzenia sterujące we/wy. Jednak najbardziej szkodliwym rodzajem zakłóceń są zakłócenia przejściowe, które charakteryzują się krótkim czasem trwania, dużą amplitudą i małą mocą.
Formy zakłóceń przejściowych obejmują: grupy szybkich impulsów elektrycznych generowane w przypadku zmiany stanu silnika; przepięcia spowodowane piorunem lub-włączeniem dużej mocy na kablach; i indukcję wyładowań elektrostatycznych (ESD). Zakłócenia przewodzone to głównie zakłócenia-w trybie wspólnym, choć zdarzają się również zakłócenia w trybie różnicowym. Środki EMC stosowane w systemie w celu zapewnienia niezawodności komunikacji magistrali CAN obejmują: zabezpieczenia sygnału, diody tłumiące napięcie przejściowe (TVS), izolowane transceivery i izolację optyczną.
Obrońca sygnału
Zewnętrzne dedykowane zabezpieczenia sygnału eliminują zakłócenia; na przykład ZF-12Y2 pochłania zakłócenia, a mostek CANFD działa jako izolator.
Ochrona sygnału i izolacja CANFDBridge
Tłumik napięcia przejściowego (TVS)
Tłumiki napięcia przejściowego są połączone równolegle między linią sygnałową a uziemieniem sygnału, aby chronić kable przed wysokimi-przepięciami spowodowanymi uderzeniami pioruna lub wyładowaniami elektrostatycznymi. Kiedy napięcie na telewizorze przekracza pewien próg, urządzenie szybko przewodzi, rozpraszając w ten sposób energię udaru i ograniczając amplitudę napięcia do określonego zakresu.
Izolowane nadajniki-odbiorniki
Izolacja jest idealnym rozwiązaniem w przypadku zakłóceń przewodzonych, oferującym doskonałą izolację elektryczną i odporność na zakłócenia. Wybierając izolowany transceiver, należy przede wszystkim wziąć pod uwagę opóźnienie transmisji, ponieważ wpływa ono zarówno na odległość transmisji, jak i jakość magistrali. Do zaprojektowania obwodu interfejsu nadawczo-odbiorczego zaleca się użycie izolowanego magnetycznie CTM5MFD.
Izolacja optyczna
Izolacja optyczna jest idealnym rozwiązaniem problemów związanych z zakłóceniami przewodzonymi, ponieważ zapewnia doskonałą izolację elektryczną i odporność na zakłócenia. Wybierając transoptory, należy wziąć pod uwagę dwa parametry: opóźnienie propagacji i tłumienie-trybu wspólnego (CMR). Pod warunkiem, że opóźnienie propagacji spełnia wymagania dotyczące szybkości transmisji danych, jeśli to możliwe, należy wybierać modele z wysokim poziomem tłumienia-trybu wspólnego. Metodą pomiaru zdolności tłumienia-wspólnego transoptora jest maksymalna szybkość wzrostu (spadku) napięcia w trybie wspólnym (CMH/CML), którą wyjście może wytrzymać, pozostając wysokie (niskie). Po zastosowaniu izolacji optycznej należy zastosować również izolację zasilania.
Streszczenie
Promieniowanie pochodzące z różnych źródeł zakłóceń jest zadaniem złożonym i całkowite wyeliminowanie zakłóceń elektromagnetycznych jest zadaniem niemożliwym. Jednakże w oparciu o podstawowe zasady kompatybilności elektromagnetycznej można podjąć środki w celu zminimalizowania zakłóceń elektromagnetycznych i utrzymania ich w tolerowanych granicach systemu, zapewniając w ten sposób niezawodne działanie systemu lub sprzętu. Opisane powyżej środki udoskonalające mogą skutecznie poprawić kompatybilność elektromagnetyczną urządzeń CAN FD.