CAN-bustechnologie wordt steeds wijdverspreider. Vanwege ernstige elektromagnetische interferentie op gebieden als industriële apparatuur en industriële automatisering is het garanderen van normale CAN-buscommunicatie echter bijzonder belangrijk. In dit artikel worden de oorzaken van elektromagnetische interferentie in busnetwerken geanalyseerd die gebruik maken van snelle- CAN FD-transceivers, evenals specifieke oplossingen voor verbetering.
Elektromagnetische compatibiliteitsanalyse in CAN FD-netwerken
Bij het ontwerpen van elektronische producten hebben de prestaties van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) een aanzienlijke impact op het systeem en zijn ze van cruciaal belang voor de normale en stabiele werking ervan. Verplichte beperkingen op de elektromagnetische compatibiliteit van elektronische producten zijn wereldwijd al ingevoerd en EMC-prestaties zijn een belangrijke indicator voor de productkwaliteit geworden.
Elektromagnetische compatibiliteit omvat hoofdzakelijk twee aspecten: het ene is de nadelige elektromagnetische interferentie die door het product zelf wordt gegenereerd, bekend als elektromagnetische interferentie-emissie (EMI); de andere is de gevoeligheid van het product voor externe elektromagnetische signalen, bekend als elektromagnetische gevoeligheid (EMS). De interferentiebron, het koppelingspad en de gevoelige apparatuur zijn de drie essentiële elementen van elektromagnetische compatibiliteit, en geen enkele kan worden weggelaten.
Elektromagnetische interferentiesignalen kunnen via twee routes worden gekoppeld: geleid en uitgestraald. Afhankelijk van het koppelingsmechanisme wordt interferentie geclassificeerd in common-mode-interferentie en differentiële-mode-interferentie. Common{4}}mode-interferentie treedt op tussen alle signaallijnen (inclusief signaallijnen, datalijnen en hoogspanningslijnen) en aarde, terwijl differentiële-mode-interferentie optreedt tussen signaallijnen.
Maatregelen om de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te verbeteren vallen in drie categorieën: het verbeteren van de EMC-prestaties van de elektronische apparatuur zelf, het gebruik van afschermingstechnologie om uitgestraalde koppeling te onderdrukken, en het gebruik van isolatie om geleide koppeling te onderdrukken.
1. EMC-ontwerp
Het ontwerp van de master- en slave-printplaten is van cruciaal belang voor de EMC van het systeem, en het vermogen van een printplaat om elektromagnetische straling uit te zenden en te ontvangen is vaak consistent. Daarom onderdrukt het verbeteren van de immuniteit van een printplaat voor interferentie ook de elektromagnetische emissies ervan. De belangrijkste factoren bij het EMC-ontwerp van PCB's zijn onder meer:
Componentselectie en lay-out
Selecteer componenten met goede EMC-prestaties en geef waar mogelijk voorrang aan opbouwverpakkingen. Rangschik componenten logisch en plaats gerelateerde componenten zo dicht mogelijk bij elkaar om de doorlooplengte tussen onderdelen te minimaliseren. Met name de kristaloscillatoren die dienen als klokbron voor microcontrollers en CAN-controllers moeten volgens specificaties worden geplaatst; anders zullen ze niet oscilleren.
Juiste aardindeling om de aardingsimpedantie te verminderen
Het aardpotentiaal dient als referentiepotentiaal voor alle signalen. Idealiter zouden alle aardingspunten op de printplaat hetzelfde potentiaal moeten hebben; Vanwege de aardimpedantie bestaan er echter potentiaalverschillen tussen aardpunten. Daarom moet de aardimpedantie zoveel mogelijk worden geminimaliseerd. De meest effectieve methode is het gebruik van een meerlaags bord met een speciaal grondvlak in het midden.
Het stabiliseren van de stroomvoorziening
Unideale omstandigheden, zoals transiënte effecten tijdens overgangen van de uitgangstoestand van de logische poort en de aanwezigheid van impedantie van de stroomlijn, introduceren onvermijdelijk ruis in de stroomtoevoerlijnen. Dit geluid veroorzaakt niet alleen een abnormale werking van het circuit, maar genereert ook aanzienlijke elektromagnetische straling. Naast het gebruik van een netsnoer om de inductie en impedantie van de stroomleidingen te verminderen, kunnen ook opslagcondensatoren worden gebruikt.
2. Elektromagnetische straling en elektromagnetische afscherming
Elektromagnetische afscherming is een van de belangrijkste methoden om problemen met elektromagnetische compatibiliteit aan te pakken. Het interfereert niet met de normale werking van circuits en vereist geen circuitaanpassingen. De effectiviteit van een scherm wordt gemeten aan de hand van de afschermende prestaties, die uit twee componenten bestaan: reflectieverlies en absorptieverlies. Het handhaven van de elektrische continuïteit van het schild is van cruciaal belang voor de effectiviteit ervan. CAN-buskabels zijn zeer gevoelig voor zowel uitzendende als ontvangende interferentie.
Het lusgebied tussen de twee draden in een getwiste-kabel is erg klein, en de stromen die in twee aangrenzende lussen worden geïnduceerd, zijn in tegengestelde richtingen, waardoor ze elkaar opheffen. Hoe strakker de twist in de twisted-kabel, hoe uitgesprokener dit effect wordt. Om overspraak tussen de twee CAN-bussen in het netwerksysteem te verminderen, moet elk paar getwiste-kabels afzonderlijk worden afgeschermd en moeten alle ongebruikte geleiders in de kabel worden aangesloten op signaalaarde.
Verhoog de torsiedichtheid; aard het schild
3. Geleide interferentie en signaalisolatie
Tijdens de normale werking van het systeem zijn componenten die aanzienlijke geleidende interferentie genereren onder meer schakelende voedingen, servoaandrijvingen en I/O-besturingsapparaten. Het schadelijkste type interferentie is echter voorbijgaande interferentie, die wordt gekenmerkt door een korte duur, hoge amplitude en laag vermogen.
Vormen van tijdelijke interferentie zijn onder meer: snelle elektrische pulsgroepen die worden gegenereerd wanneer de toestand van een motor verandert; spanningspieken veroorzaakt door bliksem of hoge-stroomtoevoer naar kabels; en inductie van elektrostatische ontlading (ESD). Geleidingsinterferentie is overwegend common{2}}mode, hoewel er ook enige differentiële-mode-interferentie optreedt. EMC-maatregelen die in het systeem worden gebruikt om de betrouwbaarheid van CAN-buscommunicatie te garanderen, zijn onder meer: signaalbeschermers, transient voltage suppressor (TVS) diodes, geïsoleerde transceivers en optische isolatie.
Signaalbeschermer
Externe speciale signaalbeschermers elimineren interferentie; Zo absorbeert de ZF-12Y2 interferentie en fungeert de CANFDbridge als isolator.
Signaalbeschermer en CANFDBridge-isolatie
Transiënte spanningsonderdrukker (TVS)
Onderdrukkers voor transiënte spanning worden parallel aangesloten tussen de signaallijn en de signaalaarde om kabels te beschermen tegen hoge-spanningspieken veroorzaakt door blikseminslag of elektrostatische ontlading. Wanneer de spanning over de TVS een bepaalde drempel overschrijdt, geleidt het apparaat snel, waardoor de piekenergie wordt gedissipeerd en de spanningsamplitude tot een specifiek bereik wordt beperkt.
Geïsoleerde zendontvangers
Isolatie is een ideale oplossing voor het aanpakken van geleide interferentie en biedt uitstekende elektrische isolatie en immuniteit tegen interferentie. Bij het selecteren van een geïsoleerde transceiver moet transmissievertraging de belangrijkste overweging zijn, aangezien deze zowel de transmissieafstand als de kwaliteit van de bus beïnvloedt. Het wordt aanbevolen om de magnetisch geïsoleerde CTM5MFD te gebruiken om het interfacetransceivercircuit te ontwerpen.
Optische isolatie
Optische isolatie is een ideale oplossing voor het aanpakken van problemen met geleide interferentie, omdat deze uitstekende elektrische isolatie en immuniteit tegen interferentie biedt. Bij het selecteren van optocouplers moet rekening worden gehouden met twee parameters: voortplantingsvertraging en common{1}}mode-afwijzing (CMR). Op voorwaarde dat de voortplantingsvertraging voldoet aan de baudsnelheidvereisten voor datacommunicatie, moeten waar mogelijk modellen met een hoge common{3}}mode-afwijzing worden geselecteerd. De methode voor het meten van het common{5}}mode-afwijzingsvermogen van een optocoupler is de maximale common-mode-spanningsstijging (-daling) (CMH/CML) die de uitvoer kan weerstaan terwijl deze hoog (laag) blijft. Na het implementeren van optische isolatie moet ook stroomtoevoerisolatie worden toegepast.
Samenvatting
De straling van verschillende interferentiebronnen is complex en het volledig elimineren van elektromagnetische interferentie is een onmogelijke opgave. Op basis van de fundamentele principes van elektromagnetische compatibiliteit kunnen echter maatregelen worden genomen om elektromagnetische interferentie tot een minimum te beperken en binnen de aanvaardbare grenzen van het systeem te houden, waardoor de betrouwbare werking van het systeem of de apparatuur wordt gegarandeerd. De hierboven beschreven verbeteringsmaatregelen kunnen de elektromagnetische compatibiliteitsprestaties van CAN FD-apparaten effectief verbeteren.