Технологія шини CAN набуває все більшого поширення. Однак через сильні електромагнітні перешкоди в таких сферах, як промислове обладнання та промислова автоматизація, забезпечення нормального зв’язку по шині CAN є особливо важливим. У цій статті проаналізовано причини електромагнітних перешкод у шинних мережах із використанням високо-швидкісних трансиверів CAN FD, а також конкретні рішення для покращення.
Аналіз електромагнітної сумісності в мережах CAN FD
Під час проектування електронних виробів показники електромагнітної сумісності (EMC) мають значний вплив на систему та мають вирішальне значення для її нормальної та стабільної роботи. Обов’язкові обмеження щодо електромагнітної сумісності електронних виробів уже запроваджено в усьому світі, а ЕМС стала ключовим показником якості продукції.
Електромагнітна сумісність в першу чергу охоплює два аспекти: один — несприятливі електромагнітні перешкоди, створювані самим виробом, відомі як випромінювання електромагнітних перешкод (EMI); інший – це чутливість виробу до зовнішніх електромагнітних сигналів, відома як електромагнітна чутливість (EMS). Джерело перешкод, шлях сполучення та чутливе обладнання є трьома основними елементами електромагнітної сумісності, і жоден із них не може бути пропущений.
Сигнали електромагнітних перешкод можуть передаватися двома шляхами: провідним і випромінюваним. Залежно від механізму зв’язку перешкоди класифікуються на-синфазні та диференціальні-режимові перешкоди. Перешкоди в загальному-режимі виникають між усіма сигнальними лініями (включно з лініями сигналу, лініями даних і лініями електропередач) і землею, тоді як перешкоди-в диференціальному режимі виникають між сигнальними лініями.
Заходи щодо покращення електромагнітної сумісності (ЕМС) поділяються на три категорії: підвищення ефективності електромагнітної сумісності самого електронного обладнання, використання технології екранування для придушення випромінюваного зв’язку та застосування ізоляції для придушення кондуктивного зв’язку.
1. Дизайн ЕМС
Конструкція головної та підлеглої друкованих плат має вирішальне значення для електромагнітної сумісності системи, і здатність друкованої плати випромінювати та приймати електромагнітне випромінювання часто є узгодженою. Таким чином, підвищення стійкості друкованої плати до перешкод також пригнічує її електромагнітне випромінювання. Ключові фактори при проектуванні електромагнітної сумісності друкованої плати включають наступне:
Вибір і компонування компонентів
Вибирайте компоненти з хорошою електромагнітною сумісністю та, коли це можливо, віддавайте перевагу упаковці-для поверхневого монтажу. Розташуйте компоненти логічно, розташовуючи пов’язані компоненти якомога ближче один до одного, щоб мінімізувати відстань між частинами. Зокрема, кварцові генератори, які служать джерелами синхронізації для мікроконтролерів і контролерів CAN, повинні бути розміщені відповідно до специфікацій; інакше вони не зможуть коливатися.
Правильне розташування заземлення для зменшення опору заземлення
Потенціал землі служить опорним потенціалом для всіх сигналів. В ідеалі всі точки заземлення на друкованій платі повинні мати однаковий потенціал; однак через опір заземлення між точками заземлення існують різниці потенціалів. Таким чином, опір заземлення слід мінімізувати, наскільки це можливо. Найефективнішим методом є використання багатошарової плати зі спеціальною площиною заземлення посередині.
Стабілізація джерела живлення
Неідеальні умови, такі як перехідні процеси під час переходів вихідного стану логічного вентиля та наявність опору лінії електроживлення, неминуче створюють шуми в лініях живлення. Цей шум не тільки спричиняє ненормальну роботу схеми, але й створює значне електромагнітне випромінювання. На додаток до використання сітки лінії електропередач для зменшення індуктивності та опору ліній електропередачі також можна використовувати накопичувальні конденсатори.
2. Електромагнітне випромінювання та електромагнітне екранування
Електромагнітне екранування є одним із ключових методів вирішення проблем електромагнітної сумісності. Це не заважає нормальній роботі схем і не потребує модифікації схеми. Ефективність екрана вимірюється його характеристиками екранування, які складаються з двох компонентів: втрат на відбиття та втрат на поглинання. Підтримання електричної безперервності екрану має вирішальне значення для його ефективності. Кабелі шини CAN дуже чутливі як до випромінювання, так і до перешкод.
Площа петлі між двома дротами в -кабелі вита пара дуже мала, і струми, індуковані в будь-яких двох сусідніх петлях, є протилежними напрямками, таким чином компенсуючи один одного. Чим щільніше скручений кабель витої-пари, тим виразнішим стає цей ефект. Щоб зменшити перехресні перешкоди між двома шинами CAN у мережевій системі, кожну пару кабелів із крученою -парою потрібно екранувати окремо, а будь-які невикористані провідники в кабелі слід підключити до сигнальної землі.
Збільшити щільність скручування; заземлити щит
3. Кондуктивні перешкоди та ізоляція сигналу
Під час нормальної роботи системи компоненти, які створюють значні кондуктивні перешкоди, включають імпульсні джерела живлення, сервоприводи та пристрої керування введенням/виведенням. Однак найбільш шкідливим видом перешкод є перехідні перешкоди, які характеризуються короткою тривалістю, високою амплітудою і малою потужністю.
Форми перехідних перешкод включають: групи швидких електричних імпульсів, що генеруються, коли змінюється стан двигуна; стрибки напруги, спричинені блискавкою або-вмиканням високої потужності на кабелях; та індукція електростатичного розряду (ESD). Кондуктивні перешкоди є переважно звичайним-режимом, хоча деякі перешкоди-диференціального режиму також трапляються. Заходи електромагнітної сумісності, що використовуються в системі для забезпечення надійності зв’язку шини CAN, включають: засоби захисту сигналу, діоди для придушення перехідної напруги (TVS), ізольовані трансивери та оптичну ізоляцію.
Протектор сигналу
Зовнішні спеціальні засоби захисту сигналу усувають перешкоди; наприклад, ZF-12Y2 поглинає перешкоди, а CANFDbridge діє як ізолятор.
Протектор сигналу та ізоляція CANFDBridge
Пригнічувач перехідної напруги (TVS)
Обмежувачі перехідної напруги підключаються паралельно між сигнальною лінією та сигнальною землею, щоб захистити кабелі від високих-стрибків напруги, спричинених ударами блискавки чи електростатичним розрядом. Коли напруга на TVS перевищує певний поріг, пристрій швидко проводить, тим самим розсіюючи енергію стрибків і обмежуючи амплітуду напруги певним діапазоном.
Ізольовані трансивери
Ізоляція є ідеальним рішенням для усунення кондуктивних перешкод, пропонуючи чудову електричну ізоляцію та стійкість до перешкод. При виборі ізольованого трансивера першочергово слід враховувати затримку передачі, оскільки вона впливає як на відстань передачі, так і на якість шини. Рекомендується використовувати магнітно ізольований CTM5MFD для розробки схеми прийомопередавача інтерфейсу.
Оптична ізоляція
Оптична ізоляція є ідеальним рішенням для усунення проблем із кондуктивними перешкодами, оскільки забезпечує чудову електричну ізоляцію та стійкість до перешкод. Під час вибору оптронів необхідно враховувати два параметри: затримку розповсюдження та відхилення загального-режиму (CMR). За умови, що затримка розповсюдження відповідає вимогам до швидкості передачі даних, за можливості слід вибирати моделі з високим відхиленням загального-режиму. Метод вимірювання-спроможності оптрона до відторгнення синфазної напруги — це максимальна -швидкість підвищення (спаду) напруги загального режиму (CMH/CML), яку може витримати вихідний сигнал, залишаючись високим (низьким). Після впровадження оптичної ізоляції необхідно також застосувати ізоляцію джерела живлення.
Резюме
Випромінювання від різних джерел перешкод є складним, і повністю усунути електромагнітні перешкоди є неможливим завданням. Однак, ґрунтуючись на фундаментальних принципах електромагнітної сумісності, можна вжити заходів, щоб мінімізувати електромагнітні перешкоди та підтримувати їх у допустимих для системи межах, тим самим забезпечуючи надійну роботу системи чи обладнання. Заходи з удосконалення, описані вище, можуть ефективно підвищити ефективність електромагнітної сумісності пристроїв CAN FD.