Технология шины CAN становится все более распространенной. Однако из-за сильных электромагнитных помех в таких областях, как промышленное оборудование и промышленная автоматизация, обеспечение нормальной связи по шине CAN особенно важно. В этой статье будут проанализированы причины электромагнитных помех в шинных сетях с использованием высокоскоростных-трансиверов CAN FD, а также конкретные решения по их улучшению.
Анализ электромагнитной совместимости в сетях CAN FD
При проектировании электронных изделий характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС) оказывают существенное влияние на систему и имеют решающее значение для ее нормальной и стабильной работы. Обязательные ограничения на электромагнитную совместимость электронных продуктов уже введены во всем мире, а показатели ЭМС стали ключевым показателем качества продукции.
Электромагнитная совместимость в первую очередь включает в себя два аспекта: первый — это неблагоприятные электромагнитные помехи, создаваемые самим продуктом, известные как излучение электромагнитных помех (EMI); второй — чувствительность продукта к внешним электромагнитным сигналам, известная как электромагнитная восприимчивость (EMS). Источник помех, канал связи и чувствительное оборудование — это три основных элемента электромагнитной совместимости, и ни один из них нельзя упускать из виду.
Сигналы электромагнитных помех могут передаваться двумя путями: кондуктивным и излучаемым. В зависимости от механизма связи помехи подразделяются на синфазные-помехи и дифференциальные-помехи. Синфазные-помехи возникают между всеми сигнальными линиями (включая сигнальные линии, линии передачи данных и линии электропередачи) и землей, тогда как дифференциальные-помехи возникают между сигнальными линиями.
Меры по улучшению электромагнитной совместимости (ЭМС) делятся на три категории: повышение характеристик ЭМС самого электронного оборудования, использование технологии экранирования для подавления излучаемой связи и использование изоляции для подавления кондуктивной связи.
1. ЭМС-проектирование
Конструкция главной и подчиненной печатных плат имеет решающее значение для ЭМС системы, а способность печатной платы излучать и принимать электромагнитное излучение часто одинакова. Таким образом, повышение устойчивости печатной платы к помехам также подавляет ее электромагнитное излучение. Ключевые факторы при проектировании печатной платы по ЭМС включают в себя следующее:
Выбор и расположение компонентов
Выбирайте компоненты с хорошими характеристиками ЭМС и по возможности уделяйте приоритетное внимание упаковке для поверхностного-монтажа. Располагайте компоненты логически, размещая связанные компоненты как можно ближе друг к другу, чтобы минимизировать длину выводов между деталями. В частности, кварцевые генераторы, служащие источниками тактовой частоты для микроконтроллеров и CAN-контроллеров, должны быть размещены в соответствии со спецификациями; в противном случае они не смогут колебаться.
Правильная схема заземления для уменьшения импеданса заземления
Потенциал земли служит опорным потенциалом для всех сигналов. В идеале все точки заземления на печатной плате должны иметь одинаковый потенциал; однако из-за сопротивления земли между точками заземления существует разность потенциалов. Поэтому сопротивление заземления должно быть сведено к минимуму. Самый эффективный метод — использовать многослойную плату со специальной полосой заземления посередине.
Стабилизация источника питания
Неидеальные условия, такие как переходные процессы во время переходов состояний выхода логического вентиля и наличие импеданса линии электропередачи, неизбежно вносят шум в линии электропитания. Этот шум не только вызывает неправильную работу схемы, но также генерирует значительное электромагнитное излучение. Помимо использования сетки линий электропередачи для уменьшения индуктивности и импеданса линий электропередачи, также можно использовать накопительные конденсаторы.
2. Электромагнитное излучение и электромагнитное экранирование.
Электромагнитное экранирование является одним из ключевых методов решения проблем электромагнитной совместимости. Он не мешает нормальной работе схем и не требует доработок схемы. Эффективность экрана измеряется его защитными характеристиками, которые состоят из двух компонентов: потерь на отражение и потерь на поглощение. Поддержание электрической непрерывности экрана имеет решающее значение для его эффективности. Кабели шины CAN очень чувствительны как к излучаемым, так и к принимаемым помехам.
Площадь петли между двумя проводами в витой-паре очень мала, а токи, индуцируемые в любых двух соседних петлях, направлены в противоположных направлениях, тем самым нейтрализуя друг друга. Чем туже скрутка кабеля витой-пары, тем более выраженным становится этот эффект. Чтобы уменьшить перекрестные помехи между двумя шинами CAN в сетевой системе, каждая пара витой-пары должна быть экранирована отдельно, а все неиспользуемые проводники кабеля должны быть подключены к сигнальному заземлению.
Увеличить плотность скрутки; заземлить щит
3. Кондуктивные помехи и изоляция сигналов.
При нормальной работе системы к компонентам, генерирующим значительные кондуктивные помехи, относятся импульсные источники питания, сервоприводы и устройства управления вводом/выводом. Однако наиболее вредным видом помех являются переходные помехи, которые характеризуются кратковременностью, большой амплитудой и малой мощностью.
К формам переходных помех относятся: группы быстрых электрических импульсов, генерируемые при изменении состояния двигателя; скачки напряжения, вызванные грозой или-переключением кабелей высокой мощности; и индукция электростатического разряда (ESD). Кондуктивные помехи представляют собой преимущественно общий-мод, хотя встречаются и некоторые дифференциальные-помехи. Меры по ЭМС, используемые в системе для обеспечения надежности связи по шине CAN, включают в себя: устройства защиты сигналов, диоды подавления переходных напряжений (TVS), изолированные приемопередатчики и оптическую изоляцию.
Защита сигнала
Внешние специальные устройства защиты сигнала устраняют помехи; например, ZF-12Y2 поглощает помехи, а CANFDbridge действует как изолятор.
Защита сигнала и изоляция CANFDBridge
Подавитель переходных напряжений (TVS)
Ограничители переходного напряжения подключаются параллельно между сигнальной линией и сигнальной землей для защиты кабелей от скачков напряжения,-вызываемых ударами молнии или электростатическими разрядами. Когда напряжение на TVS превышает определенный порог, устройство быстро проводит ток, тем самым рассеивая энергию перенапряжения и ограничивая амплитуду напряжения определенным диапазоном.
Изолированные трансиверы
Изоляция — идеальное решение для устранения кондуктивных помех, обеспечивающее превосходную электрическую изоляцию и помехоустойчивость. При выборе изолированного трансивера задержка передачи должна быть основным фактором, поскольку она влияет как на расстояние передачи, так и на качество шины. Для проектирования схемы интерфейсного приемопередатчика рекомендуется использовать магнитно-изолированный CTM5MFD.
Оптическая изоляция
Оптическая изоляция является идеальным решением для решения проблем кондуктивных помех, поскольку она обеспечивает превосходную электрическую изоляцию и помехоустойчивость. При выборе оптопар необходимо учитывать два параметра: задержку распространения и подавление синфазного сигнала (CMR). При условии, что задержка распространения соответствует требованиям к скорости передачи данных, по возможности следует выбирать модели с высоким подавлением синфазного сигнала. Методом измерения способности подавления синфазного-модового напряжения оптрона является максимальная-скорость нарастания (падения) синфазного напряжения (CMH/CML), которую выходной сигнал может выдержать, оставаясь высоким (низким). После реализации оптической изоляции также необходимо использовать изоляцию источника питания.
Краткое содержание
Излучение различных источников помех сложное, и полностью устранить электромагнитные помехи — невыполнимая задача. Однако, основываясь на фундаментальных принципах электромагнитной совместимости, можно принять меры для минимизации электромагнитных помех и поддержания их в допустимых пределах системы, обеспечивая тем самым надежную работу системы или оборудования. Описанные выше меры по улучшению могут эффективно улучшить характеристики электромагнитной совместимости устройств CAN FD.