CAN-busstekniken blir allt mer utbredd. Men på grund av allvarliga elektromagnetiska störningar i områden som industriell utrustning och industriell automation, är det särskilt viktigt att säkerställa normal CAN-busskommunikation. Den här artikeln kommer att analysera orsakerna till elektromagnetisk störning i bussnätverk som använder höghastighets CAN FD-sändtagare, samt specifika lösningar för förbättring.
Elektromagnetisk kompatibilitetsanalys i CAN FD-nätverk
Vid design av elektroniska produkter har elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) prestanda en betydande inverkan på systemet och är avgörande för dess normala och stabila funktion. Obligatoriska restriktioner för elektroniska produkters elektromagnetiska kompatibilitet har redan implementerats över hela världen, och EMC-prestanda har blivit en nyckelindikator på produktkvalitet.
Elektromagnetisk kompatibilitet omfattar i första hand två aspekter: den ena är den negativa elektromagnetiska störningen som genereras av själva produkten, känd som elektromagnetisk störningsemission (EMI); den andra är produktens känslighet för externa elektromagnetiska signaler, känd som elektromagnetisk känslighet (EMS). Störningskällan, kopplingsvägen och känslig utrustning är de tre väsentliga delarna av elektromagnetisk kompatibilitet, och ingen kan utelämnas.
Elektromagnetiska störningssignaler kan kopplas genom två vägar: leds och utstrålade. Beroende på kopplingsmekanismen klassificeras störningar i vanligt-lägesinterferens och differentiellt-lägesinterferens. Vanlig-modstörning uppstår mellan alla signallinjer (inklusive signalledningar, dataledningar och kraftledningar) och jord, medan differentiell-modstörning uppstår mellan signallinjer.
Åtgärder för att förbättra elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) delas in i tre kategorier: förbättra EMC-prestandan för den elektroniska utrustningen själv, använda skärmningsteknik för att undertrycka utstrålad koppling och använda isolering för att undertrycka ledningskoppling.
1. EMC Design
Utformningen av master- och slavkretskorten är avgörande för systemets EMC, och ett kretskorts förmåga att sända ut och ta emot elektromagnetisk strålning är ofta konsekvent. Att förbättra ett kretskorts immunitet mot störningar undertrycker därför också dess elektromagnetiska emissioner. Nyckelfaktorerna i PCB EMC-design inkluderar följande:
Komponentval och layout
Välj komponenter med bra EMC-prestanda och prioritera ytmonterade-förpackningar när det är möjligt. Ordna komponenter logiskt, placera relaterade komponenter så nära varandra som möjligt för att minimera ledningslängder mellan delarna. I synnerhet måste kristalloscillatorerna som fungerar som klockkällor för mikrokontroller och CAN-kontroller placeras enligt specifikationer; annars kommer de inte att svänga.
Korrekt marklayout för att minska markimpedansen
Jordpotentialen fungerar som referenspotential för alla signaler. Helst bör alla jordpunkter på PCB:n ha samma potential; På grund av jordimpedans finns det dock potentialskillnader mellan jordpunkter. Därför bör jordimpedansen minimeras så mycket som möjligt. Den mest effektiva metoden är att använda ett flerskiktskort med ett dedikerat jordplan i mitten.
Stabilisera strömförsörjningen
Unideala förhållanden, såsom transienta effekter under logiska grindutgångstillståndsövergångar och närvaron av kraftledningsimpedans, introducerar oundvikligen brus i kraftförsörjningsledningarna. Detta brus orsakar inte bara onormal kretsdrift utan genererar också betydande elektromagnetisk strålning. Förutom att använda ett kraftledningsnät för att reducera induktansen och impedansen hos kraftledningarna, kan även lagringskondensatorer användas.
2. Elektromagnetisk strålning och elektromagnetisk skärmning
Elektromagnetisk skärmning är en av nyckelmetoderna för att lösa problem med elektromagnetisk kompatibilitet. Det stör inte den normala driften av kretsar och kräver inga kretsmodifieringar. Effektiviteten hos en skärm mäts genom dess skärmningsprestanda, som består av två komponenter: reflektionsförlust och absorptionsförlust. Att upprätthålla den elektriska kontinuiteten hos skölden är avgörande för dess effektivitet. CAN-busskablar är mycket känsliga för både strålning och mottagning av störningar.
Slingområdet mellan de två ledningarna i en tvinnad -parkabel är mycket liten, och strömmarna som induceras i två intilliggande slingor går i motsatta riktningar, vilket eliminerar varandra. Ju hårdare snodd i den tvinnade-parkabeln, desto mer uttalad blir denna effekt. För att minska överhörningen mellan de två CAN-bussarna i nätverkssystemet bör varje par tvinnade -kablar skärmas separat och eventuella oanvända ledare i kabeln ska anslutas till signaljord.
Öka vridningsdensiteten; jorda skölden
3. Ledad störning och signalisolering
Under normal systemdrift inkluderar komponenter som genererar betydande ledningsstörningar switchande strömförsörjningar, servodrivenheter och I/O-styrenheter. Den mest skadliga typen av interferens är dock transient interferens, som kännetecknas av kort varaktighet, hög amplitud och låg effekt.
Typer av transient interferens inkluderar: snabba elektriska pulsgrupper som genereras när tillståndet hos en motor ändras; överspänningar orsakade av blixtnedslag eller hög-strömslagning av kablar; och elektrostatisk urladdning (ESD) induktion. Ledad störning är huvudsakligen vanligt-läge, även om vissa differentiella-lägesstörningar också förekommer. EMC-åtgärder som används i systemet för att säkerställa tillförlitligheten hos CAN-busskommunikation inkluderar: signalskydd, transientspänningsdämpare (TVS) dioder, isolerade sändtagare och optisk isolering.
Signalskydd
Externa dedikerade signalskydd eliminerar störningar; till exempel absorberar ZF-12Y2 störningar och CANFDbridge fungerar som en isolator.
Signalskydd och CANFDBridge-isolering
Transient Voltage Suppressor (TVS)
Transientspänningsdämpare är anslutna parallellt mellan signalledningen och signaljorden för att skydda kablar från hög-spänningsöverspänning orsakad av blixtnedslag eller elektrostatisk urladdning. När spänningen över TVS:n överstiger ett visst tröskelvärde, leder enheten snabbt, vilket leder bort överspänningsenergin och begränsar spänningsamplituden till ett specifikt område.
Isolerade sändare/mottagare
Isolering är en idealisk lösning för att hantera ledningsstörningar, och erbjuder utmärkt elektrisk isolering och störningsimmunitet. När man väljer en isolerad transceiver måste överföringsfördröjning vara den primära faktorn, eftersom den påverkar både överföringsavståndet och kvaliteten på bussen. Det rekommenderas att använda den magnetiskt isolerade CTM5MFD för att designa gränssnittstransceiverkretsen.
Optisk isolering
Optisk isolering är en idealisk lösning för att lösa problem med ledningsstörningar, eftersom den erbjuder utmärkt elektrisk isolering och störningsimmunitet. När du väljer optokopplare måste två parametrar beaktas: utbredningsfördröjning och vanlig-modavvisning (CMR). Förutsatt att spridningsfördröjningen uppfyller kraven för datakommunikationsöverföringshastighet, bör modeller med högt allmänt-lägesavslag väljas när det är möjligt. Metoden för att mäta den gemensamma-modavvisningsförmågan hos en optokopplare är den maximala-modspänningsökningshastigheten (CMH/CML) som utgången kan motstå medan den förblir hög (låg). Efter implementering av optisk isolering måste strömförsörjningsisolering också användas.
Sammanfattning
Strålningen från olika störningskällor är komplex och att helt eliminera elektromagnetiska störningar är en omöjlig uppgift. Baserat på de grundläggande principerna för elektromagnetisk kompatibilitet, kan åtgärder vidtas för att minimera elektromagnetisk störning och hålla den inom systemets tolerabla gränser, och därigenom säkerställa tillförlitlig drift av systemet eller utrustningen. De förbättringsåtgärder som beskrivs ovan kan effektivt förbättra den elektromagnetiska kompatibiliteten hos CAN FD-enheter.