Technológia zbernice CAN je čoraz rozšírenejšia. Avšak kvôli silnému elektromagnetickému rušeniu v oblastiach, ako sú priemyselné zariadenia a priemyselná automatizácia, je mimoriadne dôležité zabezpečiť normálnu komunikáciu cez zbernicu CAN. Tento článok bude analyzovať príčiny elektromagnetického rušenia v zbernicových sieťach pomocou vysokorýchlostných CAN FD transceiverov, ako aj konkrétne riešenia na zlepšenie.
Analýza elektromagnetickej kompatibility v sieťach CAN FD
Pri navrhovaní elektronických produktov má výkon elektromagnetickej kompatibility (EMC) významný vplyv na systém a je rozhodujúci pre jeho normálnu a stabilnú prevádzku. Povinné obmedzenia elektromagnetickej kompatibility elektronických produktov už boli zavedené na celom svete a výkon EMC sa stal kľúčovým ukazovateľom kvality produktu.
Elektromagnetická kompatibilita v prvom rade zahŕňa dva aspekty: jedným je nepriaznivé elektromagnetické rušenie generované samotným produktom, známe ako emisia elektromagnetického rušenia (EMI); druhým je citlivosť produktu na vonkajšie elektromagnetické signály, známa ako elektromagnetická susceptibilita (EMS). Zdroj rušenia, spojovacia dráha a citlivé zariadenie sú tri základné prvky elektromagnetickej kompatibility a žiadny nemožno vynechať.
Signály elektromagnetického rušenia môžu byť spojené dvoma cestami: vedenou a vyžarovanou. V závislosti od spojovacieho mechanizmu sa rušenie delí na rušenie v bežnom-režime a rušenie v diferenciálnom-režime. K rušeniu v bežnom-režime dochádza medzi všetkými signálovými vedeniami (vrátane signálových vedení, dátových vedení a elektrických vedení) a zemou, zatiaľ čo medzi signálovými vedeniami dochádza k rušeniu v diferenciálnom-režime.
Opatrenia na zlepšenie elektromagnetickej kompatibility (EMC) spadajú do troch kategórií: zvýšenie výkonu EMC samotného elektronického zariadenia, použitie technológie tienenia na potlačenie vyžarovanej väzby a využitie izolácie na potlačenie väzby vedením.
1. Dizajn EMC
Dizajn hlavných a podriadených dosiek plošných spojov je rozhodujúci pre EMC systému a schopnosť dosky plošných spojov vyžarovať a prijímať elektromagnetické žiarenie je často konzistentná. Zlepšenie odolnosti dosky plošných spojov voči rušeniu preto potláča aj jej elektromagnetické emisie. Medzi kľúčové faktory pri návrhu EMC dosky plošných spojov patria:
Výber a rozloženie komponentov
Vyberajte komponenty s dobrým výkonom EMC a vždy, keď je to možné, uprednostňujte obaly{0}}na povrchovú montáž. Logicky usporiadajte komponenty, pričom súvisiace komponenty umiestnite čo najbližšie k sebe, aby ste minimalizovali dĺžky vodičov medzi dielmi. Najmä kryštálové oscilátory slúžiace ako zdroje hodín pre mikrokontroléry a regulátory CAN musia byť umiestnené podľa špecifikácií; inak nebudú oscilovať.
Správne usporiadanie uzemnenia na zníženie impedancie uzemnenia
Zemný potenciál slúži ako referenčný potenciál pre všetky signály. V ideálnom prípade by všetky uzemňovacie body na doske plošných spojov mali mať rovnaký potenciál; avšak v dôsledku zemnej impedancie existujú potenciálne rozdiely medzi uzemňovacími bodmi. Preto by mala byť zemná impedancia čo najviac minimalizovaná. Najúčinnejšou metódou je použitie viacvrstvovej dosky s vyhradenou základnou rovinou uprostred.
Stabilizácia napájacieho zdroja
Neideálne podmienky, ako sú prechodné javy počas prechodov výstupných stavov logického hradla a prítomnosť impedancie elektrického vedenia, nevyhnutne zavádzajú šum do napájacích vedení. Tento hluk spôsobuje nielen abnormálnu činnosť obvodu, ale tiež generuje významné elektromagnetické žiarenie. Okrem použitia siete elektrického vedenia na zníženie indukčnosti a impedancie elektrického vedenia je možné použiť aj akumulačné kondenzátory.
2. Elektromagnetické žiarenie a elektromagnetické tienenie
Elektromagnetické tienenie je jednou z kľúčových metód riešenia problémov elektromagnetickej kompatibility. Nezasahuje do bežnej prevádzky obvodov a nevyžaduje úpravy obvodu. Účinnosť štítu sa meria jeho tieniacim výkonom, ktorý pozostáva z dvoch zložiek: straty odrazom a straty absorpcie. Udržiavanie elektrickej kontinuity štítu je rozhodujúce pre jeho účinnosť. Káble zbernice CAN sú vysoko citlivé na vyžarovanie aj prijímanie rušenia.
Oblasť slučky medzi dvoma drôtmi v kábli krútenej{0}}dvojice je veľmi malá a prúdy indukované v akýchkoľvek dvoch susedných slučkách sú v opačných smeroch, čím sa navzájom rušia. Čím pevnejšie je skrútený-párový kábel, tým je tento efekt výraznejší. Na zníženie presluchov medzi dvoma zbernicami CAN v sieťovom systéme by mal byť každý pár krútených{4}}dvojíc tienený samostatne a všetky nepoužité vodiče v kábli by mali byť pripojené k signálovej zemi.
Zvýšte hustotu krútenia; uzemnite štít
3. Prevádzané rušenie a izolácia signálu
Počas normálnej prevádzky systému medzi komponenty, ktoré generujú významné rušenie vedením, patria spínané napájacie zdroje, servopohony a I/O riadiace zariadenia. Najškodlivejším typom rušenia je však prechodné rušenie, ktoré sa vyznačuje krátkym trvaním, vysokou amplitúdou a nízkym výkonom.
Formy prechodného rušenia zahŕňajú: skupiny rýchlych elektrických impulzov generované pri zmene stavu motora; prepätia spôsobené bleskom alebo{0}}zapínaním káblov s vysokým výkonom; a indukcia elektrostatického výboja (ESD). Rušenie vedením je prevažne bežný-režim, hoci dochádza aj k určitému rozdielovému-rušeniu v režime. Opatrenia EMC používané v systéme na zabezpečenie spoľahlivosti komunikácie so zbernicou CAN zahŕňajú: chrániče signálu, diódy potlačujúce prechodové napätie (TVS), izolované vysielače a prijímače a optickú izoláciu.
Ochrana signálu
Externé vyhradené ochrany signálu eliminujú rušenie; napríklad ZF-12Y2 absorbuje rušenie a CANFDbridge funguje ako izolátor.
Ochrana signálu a izolácia CANFDBridge
Potlačovač prechodového napätia (TVS)
Odrušovače prechodového napätia sú paralelne zapojené medzi signálové vedenie a signálovú zem, aby chránili káble pred vysokým-prepätím spôsobeným údermi blesku alebo elektrostatickým výbojom. Keď napätie na TVS prekročí určitú prahovú hodnotu, zariadenie rýchlo vedie, čím rozptýli rázovú energiu a obmedzí amplitúdu napätia na špecifický rozsah.
Izolované transceivery
Izolácia je ideálnym riešením na riešenie rušenia vedením, ponúka vynikajúcu elektrickú izoláciu a odolnosť voči rušeniu. Pri výbere izolovaného transceivera musí byť oneskorenie prenosu prvoradé, pretože ovplyvňuje prenosovú vzdialenosť aj kvalitu zbernice. Na návrh obvodu transceivera rozhrania sa odporúča použiť magneticky izolovaný CTM5MFD.
Optická izolácia
Optická izolácia je ideálnym riešením na riešenie problémov s vedením rušenia, pretože ponúka vynikajúcu elektrickú izoláciu a odolnosť voči rušeniu. Pri výbere optočlenov treba brať do úvahy dva parametre: oneskorenie šírenia a odmietnutie bežného{1} režimu (CMR). Za predpokladu, že oneskorenie šírenia spĺňa požiadavky na prenosovú rýchlosť dátovej komunikácie, mali by sa vždy, keď je to možné, vybrať modely s vysokým odmietnutím spoločného-režimu. Metódou merania schopnosti optočlena odmietnutia bežného{{5}režimu je maximálna rýchlosť nárastu (klesania) napätia v bežnom režime (CMH/CML), ktorú výstup dokáže vydržať, pričom zostáva vysoký (nízky). Po implementácii optickej izolácie je potrebné použiť aj izoláciu napájacieho zdroja.
Zhrnutie
Žiarenie z rôznych zdrojov rušenia je zložité a úplné odstránenie elektromagnetického rušenia je nemožná úloha. Na základe základných princípov elektromagnetickej kompatibility je však možné prijať opatrenia na minimalizáciu elektromagnetického rušenia a jeho udržanie v rámci prípustných limitov systému, čím sa zabezpečí spoľahlivá prevádzka systému alebo zariadenia. Vyššie uvedené opatrenia na zlepšenie môžu účinne zvýšiť výkon elektromagnetickej kompatibility zariadení CAN FD.