Technologie sběrnice CAN se stále více rozšiřuje. Vzhledem k silnému elektromagnetickému rušení v oblastech, jako jsou průmyslová zařízení a průmyslová automatizace, je však zajištění normální komunikace sběrnice CAN obzvláště důležité. Tento článek bude analyzovat příčiny elektromagnetického rušení ve sběrnicových sítích pomocí vysokorychlostních CAN FD transceiverů a také konkrétní řešení pro zlepšení.
Analýza elektromagnetické kompatibility v sítích CAN FD
Při navrhování elektronických produktů má výkon elektromagnetické kompatibility (EMC) významný dopad na systém a je rozhodující pro jeho normální a stabilní provoz. Povinná omezení elektromagnetické kompatibility elektronických produktů již byla zavedena po celém světě a výkon EMC se stal klíčovým ukazatelem kvality produktu.
Elektromagnetická kompatibilita zahrnuje především dva aspekty: jedním je nepříznivé elektromagnetické rušení generované samotným produktem, známé jako emise elektromagnetického rušení (EMI); druhým je citlivost produktu na vnější elektromagnetické signály, známá jako elektromagnetická susceptibilita (EMS). Zdroj rušení, spojovací cesta a citlivé zařízení jsou tři základní prvky elektromagnetické kompatibility a žádný nelze vynechat.
Signály elektromagnetického rušení lze propojit dvěma cestami: vedenou a vyzařovanou. V závislosti na spojovacím mechanismu se interference dělí na rušení v běžném -režimu a v diferenciálním- režimu. K rušení v běžném-režimu dochází mezi všemi signálovými vedeními (včetně signálových vedení, datových vedení a silových vedení) a zemí, zatímco mezi signálovými vedeními dochází k rušení v diferenciálním-režimu.
Opatření ke zlepšení elektromagnetické kompatibility (EMC) spadají do tří kategorií: zvýšení EMC výkonu samotného elektronického zařízení, použití stínící technologie k potlačení vyzařované vazby a využití izolace k potlačení vodivé vazby.
1. Návrh EMC
Konstrukce hlavních a podřízených obvodových desek je kritická pro EMC systému a schopnost obvodové desky vysílat a přijímat elektromagnetické záření je často konzistentní. Zlepšení odolnosti desky plošných spojů vůči rušení proto také potlačuje její elektromagnetické emise. Mezi klíčové faktory při návrhu EMC desek plošných spojů patří:
Výběr a rozvržení komponent
Vybírejte komponenty s dobrým výkonem EMC a upřednostněte obaly pro povrchovou{0}}montáž, kdykoli je to možné. Logicky uspořádejte komponenty a umístěte související komponenty co nejblíže k sobě, abyste minimalizovali délky vedení mezi díly. Zejména krystalové oscilátory sloužící jako zdroje hodin pro mikrokontroléry a řadiče CAN musí být umístěny podle specifikací; jinak nebudou oscilovat.
Správné rozvržení země pro snížení impedance země
Zemní potenciál slouží jako referenční potenciál pro všechny signály. V ideálním případě by všechny zemnící body na desce plošných spojů měly mít stejný potenciál; v důsledku zemní impedance však existují potenciální rozdíly mezi uzemňovacími body. Proto by měla být zemní impedance co nejvíce minimalizována. Nejúčinnější metodou je použití vícevrstvé desky s vyhrazenou zemní plochou uprostřed.
Stabilizace napájecího zdroje
Neideální podmínky, jako jsou přechodové jevy během přechodů výstupních stavů logického hradla a přítomnost impedance napájecího vedení, nevyhnutelně vnášejí do napájecích vedení šum. Tento šum způsobuje nejen abnormální činnost obvodu, ale také generuje značné elektromagnetické záření. Kromě použití sítě elektrického vedení ke snížení indukčnosti a impedance napájecího vedení lze také použít akumulační kondenzátory.
2. Elektromagnetické záření a elektromagnetické stínění
Elektromagnetické stínění je jednou z klíčových metod řešení problémů s elektromagnetickou kompatibilitou. Nezasahuje do normálního provozu obvodů a nevyžaduje úpravy obvodu. Účinnost stínění se měří jeho stínícím výkonem, který se skládá ze dvou složek: ztráty odrazem a ztráty absorpce. Udržování elektrické kontinuity štítu je rozhodující pro jeho účinnost. Kabely sběrnice CAN jsou vysoce citlivé na vyzařující i přijímací rušení.
Oblast smyčky mezi dvěma dráty v kroucené{0}}dvojici kabelu je velmi malá a proudy indukované v libovolných dvou sousedních smyčkách jsou v opačných směrech, čímž se vzájemně ruší. Čím pevnější je kroucený-pár kabelu, tím výraznější je tento efekt. Aby se omezily přeslechy mezi dvěma sběrnicemi CAN v síťovém systému, měl by být každý pár kroucených{4}}párových kabelů stíněn samostatně a všechny nepoužité vodiče v kabelu by měly být připojeny k signálové zemi.
Zvyšte hustotu zkroucení; uzemněte štít
3. Vedené rušení a izolace signálu
Během normálního provozu systému mezi komponenty, které generují významné rušení, patří spínané napájecí zdroje, servopohony a I/O řídicí zařízení. Nejškodlivějším typem rušení je však přechodné rušení, které se vyznačuje krátkým trváním, vysokou amplitudou a nízkým výkonem.
Formy přechodného rušení zahrnují: skupiny rychlých elektrických impulsů generované při změně stavu motoru; přepětí způsobené bleskem nebo-zapínáním kabelů s vysokým výkonem; a indukce elektrostatického výboje (ESD). Rušení vedením je převážně běžný-režim, i když k určitému rušení v různém-režimu dochází také. Opatření EMC používaná v systému k zajištění spolehlivosti komunikace sběrnice CAN zahrnují: signálové chrániče, diody potlačující přechodné napětí (TVS), izolované transceivery a optickou izolaci.
Chránič signálu
Externí vyhrazené ochrany signálu eliminují rušení; například ZF-12Y2 absorbuje rušení a CANFDbridge funguje jako izolátor.
Ochrana signálu a izolace CANFDBridge
Potlačovač přechodného napětí (TVS)
Odrušovače přechodového napětí jsou paralelně zapojeny mezi signálové vedení a signálovou zem, aby chránily kabely před vysokonapěťovými rázy- způsobenými údery blesku nebo elektrostatickým výbojem. Když napětí na TVS překročí určitou prahovou hodnotu, zařízení rychle vede, čímž rozptýlí rázovou energii a omezí amplitudu napětí na určitý rozsah.
Izolované vysílače a přijímače
Izolace je ideálním řešením pro řešení rušení vedením, nabízí vynikající elektrickou izolaci a odolnost proti rušení. Při výběru izolovaného transceiveru musí být prvořadým hlediskem přenosové zpoždění, protože ovlivňuje jak přenosovou vzdálenost, tak kvalitu sběrnice. Pro návrh obvodu transceiveru rozhraní se doporučuje použít magneticky izolovaný CTM5MFD.
Optická izolace
Optická izolace je ideálním řešením pro řešení problémů vedeného rušení, protože nabízí vynikající elektrickou izolaci a odolnost proti rušení. Při výběru optočlenů je třeba vzít v úvahu dva parametry: zpoždění šíření a odmítnutí společného- režimu (CMR). Za předpokladu, že zpoždění šíření splňuje požadavky na přenosovou rychlost datové komunikace, měly by být, kdykoli je to možné, vybrány modely s vysokým potlačením společného-režimu. Metoda měření schopnosti optočlenu potlačit společný-režim je maximální míra nárůstu (klesání) napětí (CMH/CML) v běžném{6}}režimu, které výstup vydrží, zatímco zůstane vysoký (nízký). Po implementaci optické izolace je nutné použít i izolaci napájení.
Shrnutí
Záření z různých zdrojů rušení je složité a úplné odstranění elektromagnetického rušení je nemožný úkol. Na základě základních principů elektromagnetické kompatibility však lze přijmout opatření k minimalizaci elektromagnetického rušení a jeho udržení v tolerovatelných mezích systému, čímž se zajistí spolehlivý provoz systému nebo zařízení. Výše popsaná opatření ke zlepšení mohou účinně zvýšit výkon elektromagnetické kompatibility zařízení CAN FD.