CAN-siini tehnoloogia levib üha laiemalt. Kuid tõsiste elektromagnetiliste häirete tõttu sellistes valdkondades nagu tööstusseadmed ja tööstusautomaatika on normaalse CAN-siiniga side tagamine eriti oluline. Selles artiklis analüüsitakse kiireid CAN FD transiivereid kasutavate siinivõrkude elektromagnetiliste häirete põhjusi ning konkreetseid lahendusi nende täiustamiseks.
Elektromagnetilise ühilduvuse analüüs CAN FD võrkudes
Elektroonikatoodete projekteerimisel mõjutab elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) jõudlus süsteemi märkimisväärselt ning see on selle normaalse ja stabiilse töö jaoks kriitilise tähtsusega. Elektroonikatoodete elektromagnetilise ühilduvuse kohustuslikud piirangud on juba kogu maailmas rakendatud ja elektromagnetilise ühilduvuse jõudlus on muutunud toote kvaliteedi võtmenäitajaks.
Elektromagnetiline ühilduvus hõlmab peamiselt kahte aspekti: üks on toote enda tekitatud kahjulikud elektromagnetilised häired, mida nimetatakse elektromagnetiliste häirete emissiooniks (EMI); teine on toote tundlikkus väliste elektromagnetiliste signaalide suhtes, mida tuntakse elektromagnetilise vastuvõtlikkusena (EMS). Häireallikas, ühendustee ja tundlikud seadmed on elektromagnetilise ühilduvuse kolm olulist elementi ja ühtegi neist ei saa ära jätta.
Elektromagnetiliste häirete signaale saab siduda kahel viisil: juhitavad ja kiirgavad. Sõltuvalt sidestusmehhanismist liigitatakse häired tavarežiimi-häireteks ja diferentsiaalrežiimide{2}}häireteks. Ühisrežiimi-häired esinevad kõigi signaaliliinide (sh signaaliliinid, andmeliinid ja toiteliinid) ja maa vahel, samas kui diferentsiaalrežiimi{5}}häired esinevad signaaliliinide vahel.
Elektromagnetilise ühilduvuse (EMC) parandamise meetmed jagunevad kolme kategooriasse: elektroonikaseadmete enda elektromagnetilise ühilduvuse tõhustamine, varjestustehnoloogia kasutamine kiirgusühenduse summutamiseks ja isolatsiooni kasutamine juhtiva sidestuse mahasurumiseks.
1. EMC disain
Ülem- ja alamtrükkplaatide konstruktsioon on süsteemi elektromagnetilise ühilduvuse seisukohalt kriitilise tähtsusega ning trükkplaadi võime elektromagnetkiirgust kiirata ja vastu võtta on sageli ühtlane. Seetõttu pärsib trükkplaadi häirekindluse parandamine ka selle elektromagnetkiirgust. PCB EMC projekteerimise peamised tegurid on järgmised:
Komponentide valik ja paigutus
Valige hea EMC-jõudlusega komponendid ja eelistage võimalusel{0}}pinnakinnitusega pakkimist. Paigutage komponendid loogiliselt, asetades seotud komponendid üksteisele võimalikult lähedale, et minimeerida osadevahelisi juhtme pikkusi. Eelkõige tuleb vastavalt spetsifikatsioonidele paigutada mikrokontrollerite ja CAN-kontrollerite kellaallikana töötavad kristallostsillaatorid; vastasel juhul ei suuda nad võnkuda.
Õige maapinna paigutus maandustakistuse vähendamiseks
Maanduspotentsiaal toimib kõigi signaalide võrdluspotentsiaalina. Ideaalis peaksid kõik PCB maanduspunktid olema sama potentsiaaliga; maandustakistuse tõttu on aga maanduspunktide vahel potentsiaalsed erinevused. Seetõttu tuleks maandustakistust võimalikult palju minimeerida. Kõige tõhusam meetod on kasutada mitmekihilist plaati, mille keskel on spetsiaalne maandusplaat.
Toiteallika stabiliseerimine
Ebaideaalsed tingimused, nagu mööduvad efektid loogikavärava väljundi oleku üleminekul ja toiteliini impedantsi olemasolu, toovad paratamatult toiteliinidesse müra. See müra ei põhjusta mitte ainult ahela ebanormaalset tööd, vaid tekitab ka märkimisväärset elektromagnetkiirgust. Lisaks elektriliinide võrgusilma kasutamisele elektriliinide induktiivsuse ja impedantsi vähendamiseks võib kasutada ka salvestuskondensaatoreid.
2. Elektromagnetiline kiirgus ja elektromagnetiline varjestus
Elektromagnetiline varjestus on üks peamisi meetodeid elektromagnetilise ühilduvusega seotud probleemide lahendamiseks. See ei sega vooluahelate normaalset tööd ega vaja ahelate muutmist. Varjestuse tõhusust mõõdetakse selle varjestusvõimega, mis koosneb kahest komponendist: peegelduskadu ja neeldumiskadu. Kilbi elektrilise järjepidevuse säilitamine on selle tõhususe seisukohalt ülioluline. CAN-siini kaablid on väga vastuvõtlikud nii kiirgavatele kui ka vastuvõtvatele häiretele.
Kahe keerdpaarkaabli{0}}juhtme vaheline silmusala on väga väike ja mis tahes kahes kõrvuti asetsevas ahelas indutseeritud voolud on vastassuunalised, tühistades seega üksteist. Mida tihedam on keerdpaariga-kaabel, seda tugevam on see efekt. Võrgusüsteemi kahe CAN-siini vahelise läbirääkimise vähendamiseks tuleks iga keerdpaariga-kaablipaar eraldi varjestada ja kaablis olevad kasutamata juhid tuleks ühendada signaalimaandusega.
Suurendage keerdumise tihedust; maandada kilp
3. Juhtivate häirete ja signaali isoleerimine
Süsteemi normaalse töö ajal tekitavad olulisi juhtivaid häireid komponendid lülitustoiteallikad, servoajamid ja I/O juhtseadmed. Kõige kahjulikum häiretüüp on aga mööduv häire, mida iseloomustab lühike kestus, suur amplituud ja madal võimsus.
Mööduvate häirete vormide hulka kuuluvad: kiirete elektriliste impulsside rühmad, mis tekivad mootori oleku muutumisel; pikselöögist või{0}}kaablite suure võimsuse sisselülitamisest põhjustatud liigpinged; ja elektrostaatilise laengu (ESD) induktsioon. Juhtivad häired on valdavalt levinud-režiimid, kuigi esineb ka mõningaid diferentsiaal-režiimi häireid. Süsteemis kasutatavad EMC meetmed CAN-siini side töökindluse tagamiseks hõlmavad: signaalikaitseid, transient pingesummuti (TVS) dioode, isoleeritud transiivereid ja optilist isolatsiooni.
Signaali kaitsja
Välised spetsiaalsed signaalikaitsed kõrvaldavad häired; näiteks ZF-12Y2 neelab häireid ja CANFDbridge toimib isolaatorina.
Signaalikaitse ja CANFDBridge isolatsioon
Transientne pingesummuti (TVS)
Transientpingesummutid on paralleelselt ühendatud signaaliliini ja signaali maanduse vahele, et kaitsta kaableid äikeselöögist või elektrostaatilisest lahendusest põhjustatud kõrge{0}}pinge eest. Kui TVS-i pinge ületab teatud läve, juhib seade kiiresti, hajutades seeläbi liigenergiat ja piirates pinge amplituudi teatud vahemikuga.
Isoleeritud transiiverid
Isolatsioon on ideaalne lahendus juhtivate häirete kõrvaldamiseks, pakkudes suurepärast elektriisolatsiooni ja häirekindlust. Isoleeritud transiiveri valimisel tuleb esmajoones arvestada edastusviivitusega, kuna see mõjutab nii siini edastuskaugust kui ka kvaliteeti. Liidese transiiveri vooluringi kujundamiseks on soovitatav kasutada magnetiliselt isoleeritud CTM5MFD-d.
Optiline isolatsioon
Optiline isolatsioon on ideaalne lahendus juhtivate häiretega seotud probleemide lahendamiseks, kuna see pakub suurepärast elektriisolatsiooni ja häirekindlust. Optronide valimisel tuleb arvestada kahe parameetriga: leviviivitus ja tavarežiimi tagasilükkamine (CMR). Eeldusel, et levimisviivitus vastab andmeside andmeedastuskiiruse nõuetele, tuleks võimaluse korral valida suure ühise-režiimi keeldumisega mudelid. Optronidisti ühisrežiimi tagasilükkamise võime mõõtmise meetod on maksimaalne ühisrežiimi pinge tõusu (languse) kiirus (CMH/CML), mida väljund talub, jäädes kõrgeks (madalaks). Pärast optilise isolatsiooni rakendamist tuleb kasutada ka toiteallika isolatsiooni.
Kokkuvõte
Erinevate häirete allikate kiirgus on keeruline ja elektromagnetiliste häirete täielik kõrvaldamine on võimatu ülesanne. Siiski saab elektromagnetilise ühilduvuse aluspõhimõtetest lähtuvalt võtta meetmeid elektromagnetiliste häirete minimeerimiseks ja nende hoidmiseks süsteemi talutavates piirides, tagades sellega süsteemi või seadmete usaldusväärse töö. Eespool kirjeldatud parendusmeetmed võivad tõhusalt parandada CAN FD seadmete elektromagnetilise ühilduvuse jõudlust.