Технологията на CAN шина става все по-разпространена. Въпреки това, поради силните електромагнитни смущения в области като индустриално оборудване и индустриална автоматизация, осигуряването на нормална комуникация по CAN шина е особено важно. Тази статия ще анализира причините за електромагнитни смущения в шинни мрежи, използващи високо-скоростни CAN FD трансивъри, както и конкретни решения за подобрение.
Анализ на електромагнитна съвместимост в CAN FD мрежи
При проектирането на електронни продукти ефективността на електромагнитната съвместимост (EMC) оказва значително влияние върху системата и е от решаващо значение за нейната нормална и стабилна работа. Задължителните ограничения за електромагнитната съвместимост на електронните продукти вече са въведени в световен мащаб и ефективността на електромагнитната съвместимост се превърна в ключов индикатор за качеството на продукта.
Електромагнитната съвместимост основно обхваща два аспекта: единият е неблагоприятната електромагнитна интерференция, генерирана от самия продукт, известна като излъчване на електромагнитни смущения (EMI); другият е чувствителността на продукта към външни електромагнитни сигнали, известна като електромагнитна чувствителност (EMS). Източникът на смущения, свързващият път и чувствителното оборудване са трите основни елемента на електромагнитната съвместимост и никой не може да бъде пропуснат.
Сигналите за електромагнитни смущения могат да бъдат свързани по два пътя: проводен и излъчван. В зависимост от механизма на свързване смущенията се класифицират на смущения в общ-режим и смущения в диференциален-режим. Смущения в общ-режим възникват между всички сигнални линии (включително сигнални линии, линии за данни и електропроводи) и земята, докато смущения в диференциален-режим възникват между сигналните линии.
Мерките за подобряване на електромагнитната съвместимост (EMC) попадат в три категории: подобряване на EMC ефективността на самото електронно оборудване, използване на екранираща технология за потискане на излъченото свързване и използване на изолация за потискане на провежданото свързване.
1. EMC дизайн
Дизайнът на главните и подчинените платки е от решаващо значение за EMC на системата и способността на платката да излъчва и приема електромагнитно излъчване често е последователна. Следователно, подобряването на устойчивостта на платката към смущения също потиска нейните електромагнитни излъчвания. Ключовите фактори при дизайна на PCB EMC включват следното:
Избор и оформление на компоненти
Изберете компоненти с добра електромагнитна съвместимост и дайте приоритет на опаковките-за повърхностен монтаж, когато е възможно. Подредете компонентите логично, като поставите свързаните компоненти възможно най-близо един до друг, за да сведете до минимум дължините между частите. По-специално, кристалните осцилатори, служещи като източници на часовник за микроконтролери и CAN контролери, трябва да бъдат поставени в съответствие със спецификациите; в противен случай те няма да успеят да осцилират.
Правилно разположение на земята за намаляване на импеданса на земята
Земният потенциал служи като референтен потенциал за всички сигнали. В идеалния случай всички заземяващи точки на печатната платка трябва да са с еднакъв потенциал; въпреки това, поради земния импеданс, съществуват потенциални разлики между земните точки. Следователно импедансът на земята трябва да бъде сведен до минимум, доколкото е възможно. Най-ефективният метод е да се използва многослойна платка със специална заземена равнина в средата.
Стабилизиране на захранването
Неидеалните условия, като преходни ефекти по време на преходите на изходното състояние на логическата врата и наличието на импеданс на електропровода, неизбежно въвеждат шум в захранващите линии. Този шум не само причинява необичайна работа на веригата, но също така генерира значително електромагнитно излъчване. В допълнение към използването на мрежа за електропроводи за намаляване на индуктивността и импеданса на електропроводите, могат да се използват и кондензатори за съхранение.
2. Електромагнитно излъчване и електромагнитно екраниране
Електромагнитното екраниране е един от ключовите методи за решаване на проблеми с електромагнитната съвместимост. Не пречи на нормалната работа на веригите и не изисква модификации на веригата. Ефективността на щита се измерва чрез неговото екраниране, което се състои от два компонента: загуба на отражение и загуба на абсорбция. Поддържането на електрическата непрекъснатост на щита е от решаващо значение за неговата ефективност. CAN bus кабелите са силно податливи както на излъчващи, така и на приемащи смущения.
Зоната на контура между двата проводника в кабел с усукана двойка е много малка и токовете, индуцирани във всеки два съседни контура, са в противоположни посоки, като по този начин взаимно се компенсират. Колкото по-здраво е усукването на кабела с усукана-чифт, толкова по-изразен става този ефект. За да се намали смущаването между двете CAN шини в мрежовата система, всяка двойка усукани -чифт кабели трябва да бъде екранирана отделно и всички неизползвани проводници в кабела трябва да бъдат свързани към сигнална земя.
Увеличете плътността на усукване; заземете щита
3. Кондуктивни смущения и изолиране на сигнала
По време на нормална работа на системата компонентите, които генерират значителни кондуктивни смущения, включват импулсни захранвания, серво задвижвания и I/O контролни устройства. Най-вредният тип смущения обаче са преходните смущения, които се характеризират с кратка продължителност, висока амплитуда и ниска мощност.
Формите на преходни смущения включват: групи от бързи електрически импулси, генерирани при промяна на състоянието на двигателя; пренапрежения, причинени от мълния или високо{0}}превключване на кабели; и индукция на електростатичен разряд (ESD). Проведените смущения са предимно общ-режим, въпреки че се появяват и някои диференциални-режими смущения. Мерките за електромагнитна съвместимост, използвани в системата за гарантиране на надеждността на комуникацията по CAN шината, включват: предпазители на сигнала, диоди за потискане на преходно напрежение (TVS), изолирани приемо-предаватели и оптична изолация.
Сигнален протектор
Външни специални протектори на сигнала елиминират смущенията; например ZF-12Y2 абсорбира смущенията, а CANFDbridge действа като изолатор.
Протектор на сигнала и изолация на CANFDBridge
Супресор за преходно напрежение (TVS)
Супресорите за преходно напрежение са свързани паралелно между сигналната линия и сигналната земя, за да предпазят кабелите от високо-пренапрежение, причинено от удари на мълния или електростатичен разряд. Когато напрежението в TVS превиши определен праг, устройството бързо провежда, като по този начин разсейва енергията на удара и ограничава амплитудата на напрежението до определен диапазон.
Изолирани трансивъри
Изолацията е идеално решение за справяне с кондуктивни смущения, като предлага отлична електрическа изолация и устойчивост на смущения. Когато избирате изолиран трансивър, забавянето на предаването трябва да бъде основното съображение, тъй като то влияе както на разстоянието на предаване, така и на качеството на шината. Препоръчително е да се използва магнитно изолиран CTM5MFD за проектиране на интерфейсна приемо-предавателна верига.
Оптична изолация
Оптичната изолация е идеално решение за справяне с проблеми с кондуктивни смущения, тъй като предлага отлична електрическа изолация и устойчивост на смущения. При избора на оптрони трябва да се имат предвид два параметъра: забавяне на разпространението и отхвърляне на общ-режим (CMR). При условие, че забавянето на разпространението отговаря на изискванията за скоростта на предаване на данни, трябва да се избират модели с високо отхвърляне на общ-режим, когато е възможно. Методът за измерване на способността за отхвърляне на общ-режим на оптрона е максималната-скорост на нарастване (спад) на напрежението (CMH/CML), която изходът може да издържи, като същевременно остава висок (нисък). След прилагане на оптична изолация трябва да се използва и изолация на захранването.
Резюме
Излъчването от различни източници на смущения е сложно и пълното премахване на електромагнитните смущения е невъзможна задача. Въпреки това, въз основа на фундаменталните принципи на електромагнитната съвместимост, могат да бъдат взети мерки за минимизиране на електромагнитните смущения и поддържането им в рамките на допустимите граници на системата, като по този начин се гарантира надеждната работа на системата или оборудването. Мерките за подобряване, посочени по-горе, могат ефективно да подобрят ефективността на електромагнитната съвместимост на CAN FD устройствата.