La tecnología de bus CAN está cada vez más extendida. Sin embargo, debido a las graves interferencias electromagnéticas en campos como los equipos industriales y la automatización industrial, garantizar una comunicación normal del bus CAN es particularmente importante. Este artículo analizará las causas de las interferencias electromagnéticas en redes de bus que utilizan transceptores CAN FD de alta-velocidad, así como soluciones específicas de mejora.
Análisis de Compatibilidad Electromagnética en Redes CAN FD
En el diseño de productos electrónicos, el rendimiento de la compatibilidad electromagnética (EMC) tiene un impacto significativo en el sistema y es fundamental para su funcionamiento normal y estable. Ya se han implementado restricciones obligatorias sobre la compatibilidad electromagnética de los productos electrónicos en todo el mundo, y el rendimiento EMC se ha convertido en un indicador clave de la calidad del producto.
La compatibilidad electromagnética abarca principalmente dos aspectos: uno es la interferencia electromagnética adversa generada por el propio producto, conocida como emisión de interferencia electromagnética (EMI); el otro es la sensibilidad del producto a señales electromagnéticas externas, conocida como susceptibilidad electromagnética (EMS). La fuente de interferencia, la ruta de acoplamiento y el equipo sensible son los tres elementos esenciales de la compatibilidad electromagnética y ninguno puede omitirse.
Las señales de interferencia electromagnética se pueden acoplar a través de dos vías: conducida y radiada. Dependiendo del mecanismo de acoplamiento, la interferencia se clasifica en interferencia de modo común-e interferencia de modo diferencial-. La interferencia en modo común-se produce entre todas las líneas de señal (incluidas las líneas de señal, las líneas de datos y las líneas eléctricas) y tierra, mientras que la interferencia en modo diferencial-se produce entre las líneas de señal.
Las medidas para mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC) se dividen en tres categorías: mejorar el rendimiento EMC del propio equipo electrónico, utilizar tecnología de blindaje para suprimir el acoplamiento radiado y emplear aislamiento para suprimir el acoplamiento conducido.
1. Diseño CEM
El diseño de las placas de circuito maestra y esclava es fundamental para la EMC del sistema, y la capacidad de una placa de circuito para emitir y recibir radiación electromagnética suele ser constante. Por lo tanto, mejorar la inmunidad de una placa de circuito a las interferencias también suprime sus emisiones electromagnéticas. Los factores clave en el diseño de PCB EMC incluyen los siguientes:
Selección y diseño de componentes
Seleccione componentes con buen rendimiento de EMC y dé prioridad al embalaje de montaje en superficie-siempre que sea posible. Organice los componentes de manera lógica, colocando los componentes relacionados lo más cerca posible entre sí para minimizar las longitudes de los cables entre las piezas. En particular, los osciladores de cristal que sirven como fuentes de reloj para microcontroladores y controladores CAN deben colocarse según las especificaciones; de lo contrario, no podrán oscilar.
Disposición adecuada del terreno para reducir la impedancia del terreno
El potencial de tierra sirve como potencial de referencia para todas las señales. Idealmente, todos los puntos de tierra de la PCB deberían tener el mismo potencial; sin embargo, debido a la impedancia de tierra, existen diferencias de potencial entre los puntos de tierra. Por lo tanto, la impedancia de tierra debe minimizarse tanto como sea posible. El método más eficaz es utilizar una placa multicapa con un plano de tierra dedicado en el medio.
Estabilización de la fuente de alimentación
Las condiciones no ideales, como los efectos transitorios durante las transiciones de estado de salida de la puerta lógica y la presencia de impedancia de la línea eléctrica, inevitablemente introducen ruido en las líneas de suministro de energía. Este ruido no sólo provoca un funcionamiento anormal del circuito sino que también genera una importante radiación electromagnética. Además de utilizar una malla de líneas eléctricas para reducir la inductancia y la impedancia de las líneas eléctricas, también se pueden emplear condensadores de almacenamiento.
2. Radiación electromagnética y blindaje electromagnético
El blindaje electromagnético es uno de los métodos clave para abordar los problemas de compatibilidad electromagnética. No interfiere con el funcionamiento normal de los circuitos y no requiere modificaciones del circuito. La eficacia de un escudo se mide por su rendimiento de blindaje, que consta de dos componentes: pérdida por reflexión y pérdida por absorción. Mantener la continuidad eléctrica del blindaje es fundamental para su eficacia. Los cables de bus CAN son muy susceptibles a las interferencias tanto de radiación como de recepción.
El área del bucle entre los dos alambres en un cable de par-trenzado es muy pequeña y las corrientes inducidas en dos bucles adyacentes cualesquiera están en direcciones opuestas, anulándose así entre sí. Cuanto más apretado esté el giro del cable-par trenzado, más pronunciado se vuelve este efecto. Para reducir la diafonía entre los dos buses CAN en el sistema de red, cada par de cables-par trenzado debe blindarse por separado y cualquier conductor no utilizado en el cable debe conectarse a tierra de señal.
Aumentar la densidad de torsión; poner a tierra el escudo
3. Interferencia conducida y aislamiento de señales
Durante el funcionamiento normal del sistema, los componentes que generan interferencias conducidas significativas incluyen fuentes de alimentación conmutadas, servovariadores y dispositivos de control de E/S. Sin embargo, el tipo de interferencia más perjudicial es la interferencia transitoria, que se caracteriza por una duración corta, una amplitud elevada y una potencia baja.
Las formas de interferencia transitoria incluyen: grupos de impulsos eléctricos rápidos generados cuando cambia el estado de un motor; sobretensiones causadas por rayos o conmutación de cables de alta-potencia; e inducción de descarga electrostática (ESD). La interferencia conducida es predominantemente de modo-común, aunque también se produce cierta interferencia de modo-diferencial. Las medidas EMC utilizadas en el sistema para garantizar la confiabilidad de la comunicación del bus CAN incluyen: protectores de señal, diodos supresores de voltaje transitorio (TVS), transceptores aislados y aislamiento óptico.
Protector de señal
Los protectores de señal externos dedicados eliminan las interferencias; por ejemplo, el ZF-12Y2 absorbe interferencias y el puente CANFD actúa como aislador.
Protector de señal y aislamiento de puente CANFD
Supresor de voltaje transitorio (TVS)
Los supresores de voltaje transitorio están conectados en paralelo entre la línea de señal y la tierra de la señal para proteger los cables contra sobretensiones de alto-voltaje causadas por rayos o descargas electrostáticas. Cuando el voltaje a través del TVS excede un cierto umbral, el dispositivo conduce rápidamente, disipando así la sobretensión y limitando la amplitud del voltaje a un rango específico.
Transceptores aislados
El aislamiento es una solución ideal para abordar las interferencias conducidas, ya que ofrece un excelente aislamiento eléctrico e inmunidad a las interferencias. Al seleccionar un transceptor aislado, el retardo de transmisión debe ser la consideración principal, ya que afecta tanto a la distancia de transmisión como a la calidad del bus. Se recomienda utilizar el CTM5MFD aislado magnéticamente para diseñar el circuito transceptor de interfaz.
Aislamiento óptico
El aislamiento óptico es una solución ideal para abordar problemas de interferencias conducidas, ya que ofrece un excelente aislamiento eléctrico e inmunidad a las interferencias. Al seleccionar optoacopladores, se deben considerar dos parámetros: retardo de propagación y rechazo de modo común-(CMR). Siempre que sea posible, siempre que sea posible, se deben seleccionar modelos con alto rechazo de modo común-, siempre que el retardo de propagación cumpla con los requisitos de velocidad en baudios de comunicación de datos. El método para medir la capacidad de rechazo del modo común-de un optoacoplador es la tasa máxima de aumento (caída) de voltaje en modo común-(CMH/CML) que la salida puede soportar mientras permanece alta (baja). Después de implementar el aislamiento óptico, también se debe emplear el aislamiento de la fuente de alimentación.
Resumen
La radiación procedente de diversas fuentes de interferencia es compleja y eliminar por completo las interferencias electromagnéticas es una tarea imposible. Sin embargo, basándose en los principios fundamentales de la compatibilidad electromagnética, se pueden tomar medidas para minimizar la interferencia electromagnética y mantenerla dentro de los límites tolerables del sistema, garantizando así el funcionamiento confiable del sistema o equipo. Las medidas de mejora descritas anteriormente pueden mejorar eficazmente el rendimiento de compatibilidad electromagnética de los dispositivos CAN FD.