فناوری CAN bus به طور فزاینده ای در حال گسترش است. با این حال، به دلیل تداخل شدید الکترومغناطیسی در زمینه هایی مانند تجهیزات صنعتی و اتوماسیون صنعتی، اطمینان از ارتباط معمولی CAN باس از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این مقاله علل تداخل الکترومغناطیسی در شبکههای اتوبوس را با استفاده از فرستندههای{2}}CAN FD با سرعت بالا و همچنین راهحلهای خاص برای بهبود تحلیل میکند.
تجزیه و تحلیل سازگاری الکترومغناطیسی در شبکه های CAN FD
در طراحی محصولات الکترونیکی، عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) تأثیر قابل توجهی بر سیستم دارد و برای عملکرد عادی و پایدار آن بسیار مهم است. محدودیت های اجباری در مورد سازگاری الکترومغناطیسی محصولات الکترونیکی قبلاً در سراسر جهان اعمال شده است و عملکرد EMC به یک شاخص کلیدی کیفیت محصول تبدیل شده است.
سازگاری الکترومغناطیسی در درجه اول شامل دو جنبه است: یکی تداخل الکترومغناطیسی نامطلوب تولید شده توسط خود محصول است که به عنوان انتشار تداخل الکترومغناطیسی (EMI) شناخته می شود. دیگری حساسیت محصول به سیگنال های الکترومغناطیسی خارجی است که به عنوان حساسیت الکترومغناطیسی (EMS) شناخته می شود. منبع تداخل، مسیر کوپلینگ و تجهیزات حساس سه عنصر ضروری سازگاری الکترومغناطیسی هستند و هیچ کدام را نمی توان حذف کرد.
سیگنال های تداخل الکترومغناطیسی را می توان از طریق دو مسیر جفت کرد: هدایت و تابش. بسته به مکانیسم کوپلینگ، تداخل به تداخل حالت رایج-و تداخل حالت دیفرانسیل{2}} طبقه بندی می شود. تداخل حالت معمول بین همه خطوط سیگنال (از جمله خطوط سیگنال، خطوط داده و خطوط برق) و زمین رخ می دهد، در حالی که تداخل حالت دیفرانسیل بین خطوط سیگنال رخ می دهد.
اقدامات برای بهبود سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به سه دسته تقسیم می شود: افزایش عملکرد EMC خود تجهیزات الکترونیکی، استفاده از فناوری محافظ برای سرکوب کوپلینگ تابشی، و استفاده از ایزوله برای سرکوب کوپلینگ هدایت شده.
1. طراحی EMC
طراحی بردهای مدار اصلی و برد برای EMC سیستم بسیار مهم است و توانایی برد مدار برای انتشار و دریافت تابش الکترومغناطیسی اغلب ثابت است. بنابراین، بهبود مصونیت برد مدار در برابر تداخل، انتشارات الکترومغناطیسی آن را نیز سرکوب می کند. عوامل کلیدی در طراحی PCB EMC شامل موارد زیر است:
انتخاب مولفه و چیدمان
اجزای با عملکرد EMC خوب را انتخاب کنید و هر زمان که ممکن است، بستهبندی روی سطح-را در اولویت قرار دهید. قطعات را به طور منطقی مرتب کنید، اجزای مرتبط را تا حد امکان نزدیک به هم قرار دهید تا طول سرب بین قطعات به حداقل برسد. به ویژه، نوسانگرهای کریستالی که به عنوان منبع ساعت برای میکروکنترلرها و کنترلکنندههای CAN خدمت میکنند، باید طبق مشخصات قرار داده شوند. در غیر این صورت، آنها در نوسان شکست خواهند خورد.
چیدمان مناسب زمین برای کاهش امپدانس زمین
پتانسیل زمین به عنوان پتانسیل مرجع برای همه سیگنال ها عمل می کند. در حالت ایده آل، تمام نقاط زمین روی PCB باید در پتانسیل یکسانی باشند. با این حال، به دلیل امپدانس زمین، اختلاف پتانسیل بین نقاط زمین وجود دارد. بنابراین، امپدانس زمین باید تا حد امکان به حداقل برسد. موثرترین روش استفاده از تخته چند لایه با صفحه زمین اختصاصی در وسط است.
تثبیت منبع تغذیه
شرایط غیر ایده آل، مانند اثرات گذرا در طول انتقال حالت خروجی گیت منطقی و وجود امپدانس خط برق، ناگزیر نویز را به خطوط منبع تغذیه وارد می کند. این نویز نه تنها باعث عملکرد غیرعادی مدار می شود بلکه تشعشعات الکترومغناطیسی قابل توجهی نیز ایجاد می کند. علاوه بر استفاده از توری خط برق برای کاهش اندوکتانس و امپدانس خطوط برق، می توان از خازن های ذخیره سازی نیز استفاده کرد.
2. تابش الکترومغناطیسی و محافظ الکترومغناطیسی
محافظ الکترومغناطیسی یکی از روش های کلیدی برای رسیدگی به مسائل سازگاری الکترومغناطیسی است. با عملکرد عادی مدارها تداخلی ایجاد نمی کند و نیازی به اصلاح مدار ندارد. اثربخشی یک سپر با عملکرد محافظ آن سنجیده می شود که از دو جزء تشکیل شده است: کاهش انعکاس و کاهش جذب. حفظ تداوم الکتریکی سپر برای اثربخشی آن بسیار مهم است. کابل های باس CAN به شدت در معرض تداخل تابشی و دریافتی هستند.
ناحیه حلقه بین دو سیم در یک کابل{0}جفت پیچ خورده بسیار کوچک است و جریان های القا شده در هر دو حلقه مجاور در جهت مخالف هستند و در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند. هر چه پیچ و تاب در کابل جفت پیچ خورده- محکم تر باشد، این اثر بارزتر می شود. برای کاهش تداخل بین دو گذرگاه CAN در سیستم شبکه، هر جفت کابلهای جفت پیچ خورده{4} باید به طور جداگانه محافظت شوند و هر هادی استفاده نشده در کابل باید به زمین سیگنال متصل شود.
افزایش چگالی پیچش؛ سپر را زمین کنید
3. تداخل انجام شده و جداسازی سیگنال
در طول عملکرد عادی سیستم، اجزایی که تداخل هدایت شده قابل توجهی ایجاد می کنند شامل منابع تغذیه سوئیچینگ، درایوهای سروو و دستگاه های کنترل I/O هستند. با این حال، مضرترین نوع تداخل، تداخل گذرا است که با مدت زمان کوتاه، دامنه بالا و توان کم مشخص می شود.
اشکال تداخل گذرا عبارتند از: گروه های پالس الکتریکی سریع که هنگام تغییر وضعیت موتور ایجاد می شوند. نوسانات ناشی از رعد و برق یا کابلها{0}} و القای تخلیه الکترواستاتیک (ESD). تداخل هدایت شده عمدتاً حالت-معمولی است، اگرچه برخی از تداخل حالت{3}}دیفرانسیل نیز رخ می دهد. اقدامات EMC مورد استفاده در سیستم برای اطمینان از قابلیت اطمینان ارتباط باس CAN عبارتند از: محافظ سیگنال، دیودهای سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS)، فرستنده گیرنده ایزوله و ایزوله نوری.
محافظ سیگنال
محافظ سیگنال اختصاصی خارجی تداخل را از بین می برد. به عنوان مثال، ZF-12Y2 تداخل را جذب می کند و CANFDbridge به عنوان یک جداکننده عمل می کند.
محافظ سیگنال و جداسازی پل CANFD
سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS)
سرکوبگرهای ولتاژ گذرا به صورت موازی بین خط سیگنال و زمین سیگنال متصل میشوند تا از کابلها در برابر ولتاژ{0}بالا ناشی از برخورد صاعقه یا تخلیه الکترواستاتیک محافظت کنند. هنگامی که ولتاژ در سراسر TVS از یک آستانه خاص فراتر می رود، دستگاه به سرعت هدایت می شود، در نتیجه انرژی موج را تلف می کند و دامنه ولتاژ را به یک محدوده خاص محدود می کند.
فرستنده و گیرنده ایزوله
ایزوله یک راه حل ایده آل برای رسیدگی به تداخل هدایت شده، ارائه عایق الکتریکی عالی و ایمنی تداخل است. هنگام انتخاب یک فرستنده گیرنده ایزوله، تأخیر انتقال باید در نظر اولیه باشد، زیرا هم بر فاصله انتقال و هم بر کیفیت باس تأثیر می گذارد. توصیه می شود از CTM5MFD ایزوله شده مغناطیسی برای طراحی مدار فرستنده گیرنده رابط استفاده کنید.
جداسازی نوری
ایزولاسیون نوری یک راه حل ایده آل برای رسیدگی به مسائل تداخل هدایت شده است، زیرا عایق الکتریکی عالی و ایمنی تداخل را ارائه می دهد. هنگام انتخاب اپتوکوپلرها، دو پارامتر باید در نظر گرفته شود: تاخیر انتشار و رد حالت معمول (CMR). به شرط اینکه تأخیر انتشار با الزامات نرخ باود ارتباط داده مطابقت داشته باشد، مدلهایی با رد حالت رایج-در صورت امکان باید انتخاب شوند. روش اندازهگیری قابلیت رد حالت رایج یک اپتوکوپلر، حداکثر نرخ افزایش (افت) ولتاژ حالت رایج (CMH/CML) است که خروجی میتواند در حالی که بالا (پایین) باقی میماند تحمل کند. پس از اجرای ایزولاسیون نوری، باید از ایزولاسیون منبع تغذیه نیز استفاده شود.
خلاصه
تابش منابع مختلف تداخل پیچیده است و حذف کامل تداخل الکترومغناطیسی کار غیرممکنی است. با این حال، بر اساس اصول اساسی سازگاری الکترومغناطیسی، می توان اقداماتی را برای به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی و حفظ آن در محدوده های قابل تحمل سیستم انجام داد و در نتیجه عملکرد قابل اعتماد سیستم یا تجهیزات را تضمین کرد. اقدامات بهبودی که در بالا ذکر شد می تواند به طور موثر عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی دستگاه های CAN FD را افزایش دهد.