CAN veri yolu teknolojisi giderek yaygınlaşıyor. Ancak endüstriyel ekipman ve endüstriyel otomasyon gibi alanlardaki şiddetli elektromanyetik girişim nedeniyle normal CAN veri yolu iletişiminin sağlanması özellikle önemlidir. Bu makalede, yüksek-hızlı CAN FD alıcı-vericileri kullanan veri yolu ağlarındaki elektromanyetik parazitin nedenlerinin yanı sıra iyileştirmeye yönelik özel çözümler analiz edilecektir.
CAN FD Ağlarında Elektromanyetik Uyumluluk Analizi
Elektronik ürünlerin tasarımında elektromanyetik uyumluluk (EMC) performansının sistem üzerinde önemli bir etkisi vardır ve sistemin normal ve kararlı çalışması için kritik öneme sahiptir. Elektronik ürünlerin elektromanyetik uyumluluğuna ilişkin zorunlu kısıtlamalar dünya çapında halihazırda uygulamaya konmuştur ve EMC performansı, ürün kalitesinin temel bir göstergesi haline gelmiştir.
Elektromanyetik uyumluluk öncelikle iki hususu kapsar: birincisi, ürünün kendisi tarafından üretilen ve elektromanyetik girişim emisyonu (EMI) olarak bilinen olumsuz elektromanyetik girişimdir; diğeri ise ürünün elektromanyetik duyarlılık (EMS) olarak bilinen harici elektromanyetik sinyallere karşı duyarlılığıdır. Parazit kaynağı, bağlantı yolu ve hassas ekipman, elektromanyetik uyumluluğun üç temel unsurudur ve hiçbiri göz ardı edilemez.
Elektromanyetik girişim sinyalleri iki yolla birleştirilebilir: iletilen ve yayılan. Bağlantı mekanizmasına bağlı olarak girişim, ortak-mod girişimi ve diferansiyel-mod girişimi olarak sınıflandırılır. Tüm sinyal hatları (sinyal hatları, veri hatları ve güç hatları dahil) ile toprak arasında ortak-mod girişimi meydana gelirken, sinyal hatları arasında diferansiyel-mod girişimi meydana gelir.
Elektromanyetik uyumluluğu (EMC) geliştirmeye yönelik önlemler üç kategoriye ayrılır: elektronik ekipmanın EMC performansının arttırılması, yayılan kuplajı bastırmak için koruyucu teknolojinin kullanılması ve yürütülen kuplajı bastırmak için izolasyon kullanılması.
1. EMC Tasarımı
Ana ve yardımcı devre kartlarının tasarımı sistemin EMC'si açısından kritik öneme sahiptir ve devre kartının elektromanyetik radyasyon yayma ve alma yeteneği genellikle tutarlıdır. Bu nedenle devre kartının parazite karşı bağışıklığını geliştirmek aynı zamanda elektromanyetik emisyonlarını da bastırır. PCB EMC tasarımındaki temel faktörler aşağıdakileri içerir:
Bileşen Seçimi ve Düzeni
İyi EMC performansına sahip bileşenleri seçin ve mümkün olduğunda yüzeye monte paketlemeye öncelik verin. Parçalar arasındaki kablo uzunluklarını en aza indirmek için ilgili bileşenleri mümkün olduğunca birbirine yakın yerleştirerek bileşenleri mantıksal olarak düzenleyin. Özellikle mikrodenetleyiciler ve CAN denetleyiciler için saat kaynağı görevi gören kristal osilatörlerin spesifikasyonlara göre yerleştirilmesi gerekir; aksi halde salınmakta başarısız olacaklardır.
Toprak Empedansını Azaltmak için Doğru Zemin Düzeni
Toprak potansiyeli tüm sinyaller için referans potansiyeli görevi görür. İdeal olarak PCB üzerindeki tüm topraklama noktaları aynı potansiyelde olmalıdır; ancak toprak empedansı nedeniyle toprak noktaları arasında potansiyel farklar mevcuttur. Bu nedenle toprak empedansının mümkün olduğu kadar minimuma indirilmesi gerekmektedir. En etkili yöntem, ortasında özel bir zemin düzlemi bulunan çok katmanlı bir tahta kullanmaktır.
Güç Kaynağını Sabitleme
Mantık kapısı çıkış durumu geçişleri sırasındaki geçici etkiler ve güç hattı empedansının varlığı gibi ideal olmayan koşullar, kaçınılmaz olarak güç kaynağı hatlarına gürültüye neden olur. Bu gürültü yalnızca devrenin anormal çalışmasına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda önemli miktarda elektromanyetik radyasyon da üretir. Güç hatlarının endüktansını ve empedansını azaltmak için güç hattı ağının kullanılmasına ek olarak, depolama kapasitörleri de kullanılabilir.
2. Elektromanyetik Radyasyon ve Elektromanyetik Koruma
Elektromanyetik koruma, elektromanyetik uyumluluk sorunlarını gidermenin temel yöntemlerinden biridir. Devrelerin normal çalışmasına müdahale etmez ve devre modifikasyonu gerektirmez. Bir kalkanın etkinliği, iki bileşenden oluşan koruma performansıyla ölçülür: yansıma kaybı ve soğurma kaybı. Kalkanın elektriksel sürekliliğini korumak, etkinliği açısından kritik öneme sahiptir. CAN veri yolu kabloları hem yayılan hem de alınan parazitlere karşı oldukça hassastır.
Bükümlü-çift kablodaki iki tel arasındaki döngü alanı çok küçüktür ve herhangi iki bitişik döngüde indüklenen akımlar zıt yönlerdedir, dolayısıyla birbirini iptal eder. Bükümlü-çift kablodaki büküm ne kadar sıkı olursa, bu etki o kadar belirgin olur. Ağ sistemindeki iki CAN veri yolu arasındaki karışmayı azaltmak için, her bir bükümlü-çift kablo çifti ayrı ayrı ekranlanmalı ve kablodaki kullanılmayan iletkenler sinyal toprağına bağlanmalıdır.
Büküm yoğunluğunu artırın; kalkanı toprakla
3. İletilen Girişim ve Sinyal İzolasyonu
Normal sistem çalışması sırasında, önemli ölçüde iletilen parazit oluşturan bileşenler arasında anahtarlamalı güç kaynakları, servo sürücüler ve G/Ç kontrol cihazları bulunur. Ancak en zararlı girişim türü, kısa süreli, yüksek genlikli ve düşük güçle karakterize edilen geçici girişimdir.
Geçici girişim biçimleri şunları içerir: bir motorun durumu değiştiğinde üretilen hızlı elektriksel darbe grupları; yıldırımın veya{0}yüksek güçte kabloların açılmasının neden olduğu dalgalanmalar; ve elektrostatik deşarj (ESD) indüksiyonu. İletilen girişim ağırlıklı olarak ortak-moddur, ancak bazı diferansiyel-mod girişimleri de meydana gelir. CAN veri yolu iletişiminin güvenilirliğini sağlamak için sistemde kullanılan EMC önlemleri şunları içerir: sinyal koruyucular, geçici voltaj bastırıcı (TVS) diyotlar, izole edilmiş alıcı-vericiler ve optik izolasyon.
Sinyal Koruyucu
Harici özel sinyal koruyucuları paraziti ortadan kaldırır; örneğin, ZF-12Y2 paraziti emer ve CANFD köprüsü bir yalıtıcı görevi görür.
Sinyal Koruyucu ve CANFDBridge İzolasyonu
Geçici Gerilim Bastırıcı (TVS)
Geçici voltaj bastırıcılar, kabloları yıldırım çarpmasının veya elektrostatik boşalmanın neden olduğu yüksek-voltaj dalgalanmalarından korumak için sinyal hattı ile sinyal toprağı arasına paralel olarak bağlanır. TVS üzerindeki voltaj belirli bir eşiği aştığında cihaz hızla iletim yapar, böylece dalgalanma enerjisini dağıtır ve voltaj genliğini belirli bir aralıkla sınırlandırır.
İzole Alıcı-Vericiler
Yalıtım, iletilen parazitleri gidermek için mükemmel bir elektrik yalıtımı ve parazit bağışıklığı sunan ideal bir çözümdür. Yalıtılmış bir alıcı-verici seçerken, veri yolunun hem iletim mesafesini hem de kalitesini etkilediği için iletim gecikmesi birincil husus olmalıdır. Arayüz alıcı-verici devresini tasarlamak için manyetik olarak izole edilmiş CTM5MFD'nin kullanılması tavsiye edilir.
Optik İzolasyon
Optik izolasyon, mükemmel elektrik yalıtımı ve parazite karşı dayanıklılık sunduğundan, iletilen parazit sorunlarını gidermek için ideal bir çözümdür. Optokuplörleri seçerken iki parametre dikkate alınmalıdır: yayılma gecikmesi ve ortak-mod reddi (CMR). Yayılma gecikmesinin veri iletişim baud hızı gereksinimlerini karşılaması koşuluyla, mümkün olduğunda yüksek ortak-mod reddine sahip modeller seçilmelidir. Bir optokuplörün ortak-mod reddetme kapasitesini ölçme yöntemi, çıkışın yüksek (düşük) kalırken dayanabileceği maksimum ortak-mod voltaj artış (düşüş) oranıdır (CMH/CML). Optik izolasyonu uyguladıktan sonra güç kaynağı izolasyonu da kullanılmalıdır.
Özet
Çeşitli parazit kaynaklarından gelen radyasyon karmaşıktır ve elektromanyetik paraziti tamamen ortadan kaldırmak imkansız bir iştir. Ancak elektromanyetik uyumluluğun temel ilkelerine dayanarak, elektromanyetik girişimi en aza indirecek ve sistemin tolere edilebilir sınırları içinde tutacak önlemler alınabilir, böylece sistem veya ekipmanın güvenilir şekilde çalışması sağlanır. Yukarıda özetlenen iyileştirme önlemleri, CAN FD cihazlarının elektromanyetik uyumluluk performansını etkili bir şekilde artırabilir.