A CAN-busz technológia egyre inkább elterjedt. Azonban a súlyos elektromágneses interferencia miatt olyan területeken, mint az ipari berendezések és az ipari automatizálás, a normál CAN-busz kommunikáció biztosítása különösen fontos. Ez a cikk elemzi az elektromágneses interferenciák okait a nagy sebességű-CAN FD adó-vevőket használó buszhálózatokban, valamint konkrét megoldásokat a fejlesztésre.
Elektromágneses kompatibilitás elemzése CAN FD hálózatokban
Az elektronikai termékek tervezése során az elektromágneses kompatibilitás (EMC) teljesítménye jelentős hatással van a rendszerre, és kritikus a normál és stabil működéséhez. Az elektronikai termékek elektromágneses kompatibilitására vonatkozó kötelező korlátozásokat már világszerte bevezették, és az EMC-teljesítmény a termékminőség kulcsfontosságú mutatójává vált.
Az elektromágneses kompatibilitás elsősorban két szempontot ölel fel: az egyik a maga a termék által keltett káros elektromágneses interferencia, az úgynevezett elektromágneses interferencia-kibocsátás (EMI); a másik a termék érzékenysége a külső elektromágneses jelekre, az úgynevezett elektromágneses szuszceptibilitás (EMS). Az interferenciaforrás, a csatolási út és az érzékeny berendezés az elektromágneses kompatibilitás három alapvető eleme, és egyik sem hagyható ki.
Az elektromágneses interferencia jelek két úton kapcsolhatók össze: vezetett és sugárzott. A csatolási mechanizmustól függően az interferenciát általános-módú interferenciára és differenciális-módú interferenciára osztják. Általános-módú interferencia lép fel az összes jelvonal (beleértve a jelvezetékeket, az adatvezetékeket és a tápvezetékeket is) és a föld között, míg a differenciális-módú interferencia a jelvonalak között.
Az elektromágneses kompatibilitás (EMC) javítását célzó intézkedések három kategóriába sorolhatók: magának az elektronikus berendezésnek az EMC-teljesítményének javítása, árnyékolási technológia alkalmazása a sugárzott csatolás elnyomására, valamint szigetelés alkalmazása a vezetett csatolás elnyomására.
1. EMC tervezés
A mester és a szolga áramköri lapok kialakítása kritikus a rendszer EMC-je szempontjából, és az áramköri lap elektromágneses sugárzást kibocsátó és fogadó képessége gyakran konzisztens. Ezért az áramköri kártya zavartűrésének javítása az elektromágneses sugárzást is elnyomja. A PCB EMC tervezésének kulcsfontosságú tényezői a következők:
Összetevők kiválasztása és elrendezése
Válasszon jó EMC-teljesítményű alkatrészeket, és lehetőség szerint részesítse előnyben a felületre{0}}szerelt csomagolást. Logikusan rendezze el az alkatrészeket úgy, hogy a kapcsolódó alkatrészeket a lehető legközelebb helyezze egymáshoz, hogy minimalizálja az alkatrészek közötti vezetékhosszt. Különösen a mikrokontrollerek és CAN vezérlők óraforrásaként szolgáló kristályoszcillátorokat kell az előírásoknak megfelelően elhelyezni; ellenkező esetben nem fognak oszcillálni.
Megfelelő földelrendezés a talajimpedancia csökkentése érdekében
A földpotenciál minden jel referenciapotenciáljaként szolgál. Ideális esetben a PCB minden földelési pontjának azonos potenciálon kell lennie; a földi impedancia miatt azonban potenciálkülönbségek vannak a földpontok között. Ezért a földi impedanciát a lehető legkisebbre kell csökkenteni. A leghatékonyabb módszer egy többrétegű kártya használata, amelynek közepén egy dedikált alaplap van.
A tápegység stabilizálása
Az olyan nem ideális körülmények, mint a tranziens hatások a logikai kapu kimeneti állapotátmenetei során és a tápvonal impedancia jelenléte, elkerülhetetlenül zajt visznek be a tápvezetékekbe. Ez a zaj nemcsak az áramkör rendellenes működését okozza, hanem jelentős elektromágneses sugárzást is generál. Az elektromos vezetékek induktivitásának és impedanciájának csökkentésére szolgáló hálózati háló használata mellett tárolókondenzátorok is alkalmazhatók.
2. Elektromágneses sugárzás és elektromágneses árnyékolás
Az elektromágneses árnyékolás az egyik kulcsfontosságú módszer az elektromágneses kompatibilitási problémák megoldására. Nem zavarja az áramkörök normál működését, és nem igényel áramköri módosításokat. Az árnyékolás hatékonyságát az árnyékolási teljesítményen mérik, amely két összetevőből áll: a reflexiós veszteségből és az abszorpciós veszteségből. Az árnyékolás elektromos folytonosságának fenntartása kritikus fontosságú a hatékonysága szempontjából. A CAN-busz-kábelek nagyon érzékenyek a sugárzó és a vételi zavarokra.
A csavart érpárú{0}}kábel két vezetéke közötti hurokterület nagyon kicsi, és a két szomszédos hurokban indukált áramok ellentétes irányúak, ezáltal kioltják egymást. Minél erősebben csavarodik a csavart érpárú{2}}kábel, annál hangsúlyosabbá válik ez a hatás. A hálózati rendszerben a két CAN busz közötti áthallás csökkentése érdekében minden csavart-párú kábelt külön kell árnyékolni, és a kábelben lévő nem használt vezetékeket a jelföldelésre kell csatlakoztatni.
Növelje a csavarási sűrűséget; földelje le a pajzsot
3. Vezetett interferencia és jelleválasztás
A rendszer normál működése során a jelentős vezető interferenciát okozó összetevők közé tartoznak a kapcsolóüzemű tápegységek, a szervohajtások és az I/O vezérlőeszközök. Az interferencia legkárosabb típusa azonban az átmeneti interferencia, amelyet rövid időtartam, nagy amplitúdó és alacsony teljesítmény jellemez.
A tranziens interferencia formái a következők: gyors elektromos impulzuscsoportok, amelyek a motor állapotának megváltozásakor keletkeznek; villámcsapás vagy nagy{0}}feszültségű kábelek kapcsolása által okozott túlfeszültségek; és elektrosztatikus kisülés (ESD) indukció. A vezetett interferencia túlnyomórészt gyakori-mód, bár előfordul némi differenciális-módú interferencia is. A rendszerben alkalmazott EMC intézkedések a CAN-busz kommunikáció megbízhatóságának biztosítására a következők: jelvédők, tranziens feszültségcsökkentő (TVS) diódák, izolált adó-vevők és optikai leválasztás.
Jelvédő
A külső dedikált jelvédők kiküszöbölik az interferenciát; például a ZF-12Y2 elnyeli az interferenciát, a CANFDbridge pedig leválasztóként működik.
Jelvédő és CANFDBridge leválasztás
Tranziens feszültségcsillapító (TVS)
A tranziens feszültségcsökkentők párhuzamosan vannak csatlakoztatva a jelvezeték és a jel földelése közé, hogy megvédjék a kábeleket a villámcsapások vagy elektrosztatikus kisülések által okozott magas{0}}feszültséglökésektől. Ha a TVS-en a feszültség túllép egy bizonyos küszöböt, az eszköz gyorsan vezet, ezáltal eloszlatja a túlfeszültséget, és egy meghatározott tartományra korlátozza a feszültség amplitúdóját.
Elszigetelt adó-vevők
Az izoláció ideális megoldás a vezetett interferenciák kezelésére, kiváló elektromos szigetelést és zavartűrést biztosít. Leválasztott adó-vevő kiválasztásakor az átviteli késleltetést kell elsődlegesen figyelembe venni, mivel ez befolyásolja mind az átviteli távolságot, mind a busz minőségét. Az interfész adó-vevő áramkörének kialakításához javasolt a mágnesesen leválasztott CTM5MFD használata.
Optikai leválasztás
Az optikai leválasztás ideális megoldás a vezetett interferencia problémák megoldására, mivel kiváló elektromos szigetelést és zavartűrést biztosít. Az optocsatolók kiválasztásakor két paramétert kell figyelembe venni: a terjedési késleltetést és a közös módú elutasítást (CMR). Feltéve, hogy a terjedési késleltetés megfelel az adatkommunikációs adatátviteli sebességre vonatkozó követelményeknek, lehetőség szerint magas általános-mód-elutasítású modelleket kell választani. Az optocsatoló közös módú -módusú elutasítási képességének mérési módszere az a maximális közös-módú feszültségemelkedési (esési) sebesség (CMH/CML), amelyet a kimenet magas (alacsony) tartása mellett képes ellenállni. Az optikai leválasztás megvalósítása után a tápellátás leválasztását is alkalmazni kell.
Összegzés
A különféle interferenciaforrásokból származó sugárzás összetett, az elektromágneses interferencia teljes kiküszöbölése pedig lehetetlen feladat. Az elektromágneses kompatibilitás alapelvei alapján azonban intézkedéseket lehet tenni az elektromágneses interferencia minimalizálására és a rendszer tolerálható határain belül tartására, ezáltal biztosítva a rendszer vagy berendezés megbízható működését. A fent vázolt fejlesztési intézkedések hatékonyan javíthatják a CAN FD eszközök elektromágneses kompatibilitási teljesítményét.