La technologie du bus CAN est de plus en plus répandue. Cependant, en raison des graves interférences électromagnétiques dans des domaines tels que les équipements industriels et l'automatisation industrielle, il est particulièrement important d'assurer une communication normale sur le bus CAN. Cet article analysera les causes des interférences électromagnétiques dans les réseaux de bus utilisant des émetteurs-récepteurs CAN FD à grande vitesse, ainsi que des solutions spécifiques d'amélioration.
Analyse de compatibilité électromagnétique dans les réseaux CAN FD
Dans la conception de produits électroniques, les performances de compatibilité électromagnétique (CEM) ont un impact significatif sur le système et sont essentielles à son fonctionnement normal et stable. Des restrictions obligatoires sur la compatibilité électromagnétique des produits électroniques ont déjà été mises en œuvre dans le monde entier, et les performances CEM sont devenues un indicateur clé de la qualité des produits.
La compatibilité électromagnétique englobe principalement deux aspects : l'un concerne les interférences électromagnétiques indésirables générées par le produit lui-même, connues sous le nom d'émission d'interférences électromagnétiques (EMI) ; l'autre est la sensibilité du produit aux signaux électromagnétiques externes, connue sous le nom de susceptibilité électromagnétique (EMS). La source d'interférences, le chemin de couplage et les équipements sensibles sont les trois éléments essentiels de la compatibilité électromagnétique, et aucun ne peut être omis.
Les signaux d’interférence électromagnétique peuvent être couplés via deux voies : conduites et rayonnées. En fonction du mécanisme de couplage, les interférences sont classées en interférences en mode commun-et en interférences en mode différentiel-. Des interférences en mode commun- se produisent entre toutes les lignes de signaux (y compris les lignes de signaux, les lignes de données et les lignes électriques) et la terre, tandis que des interférences en mode différentiel - se produisent entre les lignes de signaux.
Les mesures visant à améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM) se répartissent en trois catégories : l'amélioration des performances CEM de l'équipement électronique lui-même, l'utilisation d'une technologie de blindage pour supprimer le couplage rayonné et l'utilisation d'une isolation pour supprimer le couplage conduit.
1. Conception CEM
La conception des cartes de circuits imprimés maître et esclave est essentielle à la CEM du système, et la capacité d'une carte de circuits imprimés à émettre et à recevoir un rayonnement électromagnétique est souvent cohérente. Par conséquent, l’amélioration de l’immunité d’un circuit imprimé aux interférences supprime également ses émissions électromagnétiques. Les facteurs clés dans la conception CEM des PCB sont les suivants :
Sélection et disposition des composants
Sélectionnez des composants offrant de bonnes performances CEM et donnez la priorité aux emballages à montage en surface-dans la mesure du possible. Disposez les composants de manière logique, en plaçant les composants associés aussi près que possible les uns des autres afin de minimiser la longueur des câbles entre les pièces. En particulier, les oscillateurs à cristal servant de sources d'horloge pour les microcontrôleurs et les contrôleurs CAN doivent être placés conformément aux spécifications ; sinon, ils ne parviendront pas à osciller.
Disposition appropriée du sol pour réduire l'impédance du sol
Le potentiel de terre sert de potentiel de référence pour tous les signaux. Idéalement, tous les points de terre du PCB devraient être au même potentiel ; cependant, en raison de l'impédance de la terre, des différences potentielles existent entre les points de terre. Par conséquent, l’impédance de la terre doit être minimisée autant que possible. La méthode la plus efficace consiste à utiliser une carte multicouche avec un plan de masse dédié au milieu.
Stabilisation de l'alimentation
Des conditions non idéales, telles que des effets transitoires lors des transitions d'état de sortie de porte logique et la présence d'impédance de ligne électrique, introduisent inévitablement du bruit dans les lignes d'alimentation. Ce bruit provoque non seulement un fonctionnement anormal du circuit mais génère également un rayonnement électromagnétique important. En plus d'utiliser un maillage de lignes électriques pour réduire l'inductance et l'impédance des lignes électriques, des condensateurs de stockage peuvent également être utilisés.
2. Rayonnement électromagnétique et blindage électromagnétique
Le blindage électromagnétique est l’une des méthodes clés pour résoudre les problèmes de compatibilité électromagnétique. Il n’interfère pas avec le fonctionnement normal des circuits et ne nécessite aucune modification des circuits. L'efficacité d'un bouclier se mesure par ses performances de blindage, qui se composent de deux éléments : la perte par réflexion et la perte par absorption. Le maintien de la continuité électrique du blindage est essentiel à son efficacité. Les câbles de bus CAN sont très sensibles aux interférences rayonnantes et réceptrices.
La zone de boucle entre les deux fils d'un câble à paire torsadée - est très petite et les courants induits dans deux boucles adjacentes sont dans des directions opposées, s'annulant ainsi. Plus la torsion du câble à paire torsadée-est serrée, plus cet effet devient prononcé. Pour réduire la diaphonie entre les deux bus CAN du système réseau, chaque paire de câbles à paire torsadée - doit être blindée séparément et tous les conducteurs inutilisés du câble doivent être connectés à la terre du signal.
Augmentez la densité de torsion ; mettre le bouclier à la terre
3. Interférences conduites et isolation du signal
Pendant le fonctionnement normal du système, les composants qui génèrent des interférences conduites importantes comprennent les alimentations à découpage, les servomoteurs et les dispositifs de contrôle d'E/S. Cependant, le type d’interférence le plus préjudiciable est l’interférence transitoire, caractérisée par une courte durée, une amplitude élevée et une faible puissance.
Les formes d'interférences transitoires comprennent : des groupes d'impulsions électriques rapides générés lorsque l'état d'un moteur change ; surtensions causées par la foudre ou par une commutation à haute-puissance sur les câbles ; et induction de décharge électrostatique (ESD). Les interférences conduites sont principalement du mode commun-, bien que certaines interférences en mode différentiel-se produisent également. Les mesures CEM utilisées dans le système pour garantir la fiabilité de la communication sur le bus CAN comprennent : des protecteurs de signaux, des diodes de suppression de tension transitoire (TVS), des émetteurs-récepteurs isolés et une isolation optique.
Protecteur de signal
Les protecteurs de signal externes dédiés éliminent les interférences ; par exemple, le ZF-12Y2 absorbe les interférences et le CANFDbridge agit comme un isolateur.
Protecteur de signal et isolation CANFDBridge
Suppresseur de tension transitoire (TVS)
Les suppresseurs de tension transitoire sont connectés en parallèle entre la ligne de signal et la terre du signal pour protéger les câbles des surtensions-à haute tension provoquées par la foudre ou les décharges électrostatiques. Lorsque la tension aux bornes du TVS dépasse un certain seuil, le dispositif conduit rapidement, dissipant ainsi l'énergie de surtension et limitant l'amplitude de la tension à une plage spécifique.
Émetteurs-récepteurs isolés
L'isolation est une solution idéale pour lutter contre les interférences conduites, offrant une excellente isolation électrique et une excellente immunité aux interférences. Lors de la sélection d'un émetteur-récepteur isolé, le délai de transmission doit être la principale considération, car il affecte à la fois la distance de transmission et la qualité du bus. Il est recommandé d'utiliser le CTM5MFD magnétiquement isolé pour concevoir le circuit émetteur-récepteur d'interface.
Isolation optique
L'isolation optique est une solution idéale pour résoudre les problèmes d'interférences conduites, car elle offre une excellente isolation électrique et une excellente immunité aux interférences. Lors de la sélection des optocoupleurs, deux paramètres doivent être pris en compte : le délai de propagation et le rejet en mode commun-(CMR). À condition que le délai de propagation réponde aux exigences de débit en bauds de communication de données, des modèles avec une réjection élevée du mode commun - doivent être sélectionnés autant que possible. La méthode de mesure de la capacité de réjection en mode commun-d'un optocoupleur est le taux maximal de montée (chute) de tension en mode commun-(CMH/CML) que la sortie peut supporter tout en restant élevée (faible). Après avoir mis en œuvre l’isolation optique, l’isolation de l’alimentation doit également être utilisée.
Résumé
Le rayonnement provenant de diverses sources d’interférences est complexe et éliminer complètement les interférences électromagnétiques est une tâche impossible. Cependant, sur la base des principes fondamentaux de la compatibilité électromagnétique, des mesures peuvent être prises pour minimiser les interférences électromagnétiques et les maintenir dans les limites tolérables du système, garantissant ainsi le fonctionnement fiable du système ou de l'équipement. Les mesures d'amélioration décrites ci-dessus peuvent améliorer efficacement les performances de compatibilité électromagnétique des appareils CAN FD.