CAN bus tehnologija postaje sve raširenija. Međutim, zbog jakih elektromagnetnih smetnji u poljima kao što su industrijska oprema i industrijska automatizacija, osiguravanje normalne CAN bus komunikacije je posebno važno. Ovaj članak će analizirati uzroke elektromagnetnih smetnji u magistralnim mrežama koje koriste brze CAN FD primopredajnike, kao i specifična rješenja za poboljšanje.
Analiza elektromagnetne kompatibilnosti u CAN FD mrežama
U dizajnu elektronskih proizvoda, performanse elektromagnetne kompatibilnosti (EMC) imaju značajan uticaj na sistem i kritične su za njegov normalan i stabilan rad. Obavezna ograničenja elektromagnetne kompatibilnosti elektronskih proizvoda već su uvedena širom svijeta, a EMC performanse su postale ključni pokazatelj kvaliteta proizvoda.
Elektromagnetna kompatibilnost prvenstveno obuhvata dva aspekta: jedan su štetne elektromagnetne smetnje koje proizvodi sam proizvod, poznate kao emisija elektromagnetnih smetnji (EMI); drugi je osjetljivost proizvoda na vanjske elektromagnetne signale, poznata kao elektromagnetna osjetljivost (EMS). Izvor smetnji, put spajanja i osjetljiva oprema su tri bitna elementa elektromagnetske kompatibilnosti i nijedan se ne može izostaviti.
Signali elektromagnetnih smetnji mogu se povezati kroz dva puta: provodljivi i zračeni. Ovisno o mehanizmu spajanja, smetnje se dijele na smetnje zajedničkog-moda i diferencijalnog-smetanja. Smetnje uobičajenog{4}}moda se javljaju između svih signalnih vodova (uključujući signalne vodove, vodove podataka i strujne vodove) i uzemljenja, dok se smetnje diferencijalnog{5}}moda javljaju između signalnih linija.
Mjere za poboljšanje elektromagnetne kompatibilnosti (EMC) spadaju u tri kategorije: poboljšanje EMC performansi same elektronske opreme, korištenje tehnologije zaštite za suzbijanje radijacije i korištenje izolacije za suzbijanje konduktivnog spajanja.
1. EMC dizajn
Dizajn matične i podređene ploče je kritičan za EMC sistema, a sposobnost ploče da emituje i prima elektromagnetno zračenje je često konzistentna. Stoga, poboljšanje otpornosti ploče na smetnje također potiskuje njene elektromagnetne emisije. Ključni faktori u dizajnu PCB EMC uključuju sljedeće:
Odabir i raspored komponenti
Odaberite komponente sa dobrim EMC performansama i dajte prioritet površinskom{0}}pakiranju kad god je to moguće. Logično rasporedite komponente, postavljajući povezane komponente što je bliže moguće kako biste minimizirali dužinu provodnika između dijelova. Konkretno, kristalni oscilatori koji služe kao izvor takta za mikrokontrolere i CAN kontrolere moraju biti postavljeni u skladu sa specifikacijama; u suprotnom, neće moći oscilirati.
Odgovarajući raspored uzemljenja za smanjenje impedanse uzemljenja
Potencijal zemlje služi kao referentni potencijal za sve signale. U idealnom slučaju, sve tačke uzemljenja na PCB-u trebale bi biti na istom potencijalu; međutim, zbog impedanse uzemljenja postoje potencijalne razlike između tačaka uzemljenja. Stoga, impedanciju uzemljenja treba minimizirati što je više moguće. Najefikasniji metod je upotreba višeslojne ploče sa namenskom zemljom u sredini.
Stabilizacija napajanja
Neidealni uslovi, kao što su tranzijentni efekti tokom prelaza izlaznog stanja logičke kapije i prisustvo impedanse dalekovoda, neizbežno unose šum u vodove napajanja. Ovaj šum ne samo da uzrokuje nenormalan rad kola, već i stvara značajno elektromagnetno zračenje. Pored upotrebe mreže za napajanje za smanjenje induktivnosti i impedanse električnih vodova, mogu se koristiti i kondenzatori za skladištenje.
2. Elektromagnetno zračenje i elektromagnetna zaštita
Elektromagnetna zaštita je jedna od ključnih metoda za rješavanje problema elektromagnetne kompatibilnosti. Ne ometa normalan rad kola i ne zahteva modifikacije kola. Učinkovitost štita se mjeri njegovim performansama zaštite, koje se sastoje od dvije komponente: gubitka refleksije i gubitka apsorpcije. Održavanje električnog kontinuiteta štita je ključno za njegovu efikasnost. Kablovi CAN sabirnice su veoma podložni i zračenju i prijemu smetnji.
Područje petlje između dvije žice u kablu s upredenim{0}}paricama je vrlo malo, a struje inducirane u bilo koje dvije susjedne petlje su u suprotnim smjerovima, čime se međusobno poništavaju. Što je čvršći zavoj u upredenom-kablu, ovaj efekat postaje izraženiji. Da bi se smanjilo preslušavanje između dvije CAN sabirnice u mrežnom sistemu, svaki par kablova upredenih-parica treba biti odvojeno zaštićen, a svi neiskorišteni provodnici u kablu trebaju biti povezani na signalnu masu.
Povećajte gustinu uvijanja; uzemljiti štit
3. Provedene smetnje i izolacija signala
Tokom normalnog rada sistema, komponente koje stvaraju značajne provodljive smetnje uključuju prekidačka napajanja, servo pogone i I/O kontrolne uređaje. Međutim, najštetniji tip smetnji su prolazne smetnje, koje karakterizira kratko trajanje, velika amplituda i mala snaga.
Oblici prolaznih smetnji uključuju: brze grupe električnih impulsa koje se stvaraju kada se stanje motora promijeni; prenapone uzrokovane grmljavinom ili velikim{0}}uključivanjem kablova; i indukcija elektrostatičkog pražnjenja (ESD). Konduktovane smetnje su uglavnom uobičajeni-način, iako se javljaju i neke smetnje diferencijalnog{3}}načina. Mjere elektromagnetne kompatibilnosti koje se koriste u sistemu da bi se osigurala pouzdanost komunikacije CAN magistrale uključuju: štitnike signala, diode za suzbijanje tranzijentnog napona (TVS), izolovane primopredajnike i optičku izolaciju.
Signal Protector
Eksterni namenski zaštitni signali eliminišu smetnje; na primjer, ZF-12Y2 apsorbira smetnje, a CANFDbridge djeluje kao izolator.
Zaštita signala i CANFDBridge izolacija
Prigušivač prolaznog napona (TVS)
Prigušivači prolaznog napona su povezani paralelno između signalne linije i signalnog uzemljenja kako bi zaštitili kablove od visokih-napona uzrokovanih udarima groma ili elektrostatičkim pražnjenjem. Kada napon na TVS-u prijeđe određeni prag, uređaj brzo provodi, čime se rasipa energija prenapona i ograničava amplituda napona na određeni raspon.
Izolovani primopredajnici
Izolacija je idealno rješenje za rješavanje provodljivih smetnji, nudeći odličnu električnu izolaciju i otpornost na smetnje. Prilikom odabira izolovanog primopredajnika, kašnjenje u prijenosu mora biti primarna pažnja, jer utiče i na udaljenost prijenosa i na kvalitet magistrale. Preporučuje se upotreba magnetno izolovanog CTM5MFD za projektovanje kola primopredajnika interfejsa.
Optical Isolation
Optička izolacija je idealno rješenje za rješavanje problema provodnih smetnji, jer nudi odličnu električnu izolaciju i otpornost na smetnje. Prilikom odabira optokaplera, moraju se uzeti u obzir dva parametra: kašnjenje propagacije i odbacivanje uobičajenog{1}}moda (CMR). Pod uslovom da kašnjenje širenja zadovoljava zahtjeve za brzinu prijenosa podataka u prijenosu podataka, modele sa visokim odbacivanjem zajedničkog-moda treba odabrati kad god je to moguće. Metoda za mjerenje mogućnosti optokaplera odbacivanja zajedničkog-moda je maksimalna stopa porasta (pada) napona zajedničkog -moda (CMH/CML) koju izlaz može izdržati dok ostane visok (nizak). Nakon implementacije optičke izolacije, mora se koristiti i izolacija napajanja.
Rezime
Zračenje različitih izvora smetnji je složeno, a potpuno eliminisanje elektromagnetnih smetnji je nemoguć zadatak. Međutim, na osnovu osnovnih principa elektromagnetne kompatibilnosti, mogu se preduzeti mjere za minimiziranje elektromagnetnih smetnji i njihovo održavanje u okviru podnošljivih granica sistema, čime se osigurava pouzdan rad sistema ili opreme. Gore navedene mjere poboljšanja mogu efikasno poboljšati performanse elektromagnetne kompatibilnosti CAN FD uređaja.