טכנולוגיית CAN bus הופכת נפוצה יותר ויותר. עם זאת, בשל הפרעות אלקטרומגנטיות חמורות בתחומים כמו ציוד תעשייתי ואוטומציה תעשייתית, חשוב במיוחד להבטיח תקשורת CAN bus רגילה. מאמר זה ינתח את הגורמים להפרעות אלקטרומגנטיות ברשתות אוטובוסים המשתמשות במקלטי CAN FD במהירות- גבוהה, וכן פתרונות ספציפיים לשיפור.
ניתוח תאימות אלקטרומגנטית ברשתות CAN FD
בתכנון של מוצרים אלקטרוניים, לביצועי תאימות אלקטרומגנטית (EMC) השפעה משמעותית על המערכת והם קריטיים לפעולתה הרגילה והיציבה. הגבלות חובה על תאימות אלקטרומגנטית של מוצרים אלקטרוניים כבר יושמו ברחבי העולם, וביצועי EMC הפכו לאינדיקטור מרכזי לאיכות המוצר.
תאימות אלקטרומגנטית כוללת בעיקר שני היבטים: האחד הוא ההפרעות האלקטרומגנטיות השליליות שנוצרות על ידי המוצר עצמו, המכונה פליטת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI); השני הוא רגישות המוצר לאותות אלקטרומגנטיים חיצוניים, המכונה רגישות אלקטרומגנטית (EMS). מקור ההפרעה, נתיב הצימוד והציוד הרגיש הם שלושת המרכיבים החיוניים של תאימות אלקטרומגנטית, ואי אפשר לוותר על אף אחד.
ניתן לחבר אותות הפרעה אלקטרומגנטית באמצעות שני מסלולים: מוליכים ומוקרנים. בהתאם למנגנון הצימוד, ההפרעות מסווגות ל-הפרעות מצב והפרעות במצב דיפרנציאלי-. הפרעות במצב-נפוצות מתרחשות בין כל קווי האות (כולל קווי אות, קווי נתונים וקווי מתח) לבין הארקה, בעוד שהפרעות מצב דיפרנציאליות מתרחשות בין קווי האות.
אמצעים לשיפור התאימות האלקטרומגנטית (EMC) מתחלקים לשלוש קטגוריות: שיפור ביצועי ה-EMC של הציוד האלקטרוני עצמו, שימוש בטכנולוגיית מיגון לדיכוי צימוד מקרין, ושימוש בבידוד כדי לדכא צימוד מוליך.
1. עיצוב EMC
התכנון של המעגלים הראשיים והעבדים הוא קריטי ל-EMC של המערכת, והיכולת של לוח מעגלים לפלוט ולקבל קרינה אלקטרומגנטית היא לרוב עקבית. לכן, שיפור חסינות המעגל בפני הפרעות גם מדכא את הפליטות האלקטרומגנטיות שלו. גורמי המפתח בתכנון PCB EMC כוללים את הדברים הבאים:
בחירת רכיבים ופריסה
בחר רכיבים עם ביצועי EMC טובים ותעדף אריזות-על פני השטח במידת האפשר. ארגן את הרכיבים בצורה הגיונית, הצבת רכיבים קשורים קרוב ככל האפשר זה לזה כדי למזער את אורכי ההובלה בין חלקים. בפרט, מתנדי הקריסטל המשמשים כמקורות שעון עבור מיקרו-בקרים ובקרי CAN חייבים להיות ממוקמים בהתאם למפרטים; אחרת, הם לא יצליחו להתנודד.
פריסת קרקע נכונה להפחתת עכבת הקרקע
פוטנציאל ההארקה משמש כפוטנציאל הייחוס עבור כל האותות. באופן אידיאלי, כל נקודות ההארקה ב-PCB צריכות להיות באותו פוטנציאל; עם זאת, עקב עכבת הארקה, קיימים הבדלים פוטנציאליים בין נקודות הארקה. לכן, יש למזער את עכבת הארקה ככל האפשר. השיטה היעילה ביותר היא להשתמש בלוח רב שכבתי עם מישור הארקה ייעודי באמצע.
ייצוב אספקת החשמל
תנאים לא אידאליים, כגון השפעות חולפות במהלך מעברי מצב פלט של שער לוגי ונוכחות של עכבת קו מתח, מכניסים בהכרח רעש לקווי אספקת החשמל. רעש זה לא רק גורם לפעולת מעגל חריגה אלא גם יוצר קרינה אלקטרומגנטית משמעותית. בנוסף לשימוש ברשת קו מתח כדי להפחית את השראות והעכבה של קווי החשמל, ניתן להשתמש גם בקבלי אחסון.
2. קרינה אלקטרומגנטית ומיגון אלקטרומגנטי
מיגון אלקטרומגנטי הוא אחת משיטות המפתח לטיפול בבעיות תאימות אלקטרומגנטית. זה אינו מפריע לפעולה הרגילה של מעגלים ואינו דורש שינויים במעגלים. יעילותו של מגן נמדדת לפי ביצועי המיגון שלו, המורכבים משני מרכיבים: אובדן השתקפות ואובדן קליטה. שמירה על המשכיות החשמלית של המגן היא קריטית ליעילותו. כבלי CAN bus רגישים מאוד להפרעות מקרינות וקליטות.
שטח הלולאה בין שני החוטים בכבל-זוג מעוות קטן מאוד, והזרמים המושרים בכל שתי לולאות סמוכות נמצאים בכיוונים מנוגדים, ובכך מבטלים זה את זה. ככל שהפיתול בכבל-זוג המעוות הדוק יותר, כך אפקט זה הופך בולט יותר. כדי לצמצם את הדיבור בין שני אפיקי ה-CAN במערכת הרשת, כל זוג של כבלי זוג מעוותים- צריך להיות מסוכך בנפרד, וכל המוליכים שאינם בשימוש בכבל צריכים להיות מחוברים להארקת האות.
הגדל את צפיפות הפיתול; קרקע את המגן
3. הפרעות מנוהלות ובידוד אותות
במהלך פעולת מערכת רגילה, רכיבים שיוצרים הפרעות מוליכות משמעותיות כוללים מיתוג ספקי כוח, כונני סרוו והתקני בקרת I/O. עם זאת, סוג ההפרעה המזיק ביותר הוא הפרעות חולפות, המאופיינת באורך קצר, משרעת גבוהה והספק נמוך.
צורות של הפרעות חולפות כוללות: קבוצות פולסים חשמליים מהירים הנוצרים כאשר מצבו של מנוע משתנה; נחשולי מתח הנגרמים על ידי ברק או הפעלת כבלים-בעוצמה גבוהה; ואינדוקציה של פריקה אלקטרוסטטית (ESD). הפרעה מנוהלת היא בעיקר מצב- נפוץ, אם כי מתרחשת גם הפרעות במצב דיפרנציאלי-. אמצעי EMC המשמשים במערכת כדי להבטיח את האמינות של תקשורת CAN אפיק כוללים: מגיני אותות, דיודות מדכא מתח חולף (TVS), מקלטי משדר מבודדים ובידוד אופטי.
מגן אותות
מגיני אותות ייעודיים חיצוניים מבטלים הפרעות; לדוגמה, ה-ZF-12Y2 סופג הפרעות, וה-CANFDbridge פועל כמבודד.
מגן אותות ובידוד CANFDBridge
מדכא מתח חולף (TVS)
מדכאי מתח ארעיים מחוברים במקביל בין קו האות להארקת האות כדי להגן על כבלים מפני עליות מתח גבוהות- הנגרמות ממכות ברק או פריקה אלקטרוסטטית. כאשר המתח על ה-TVS חורג מסף מסוים, המכשיר מוליך במהירות, ובכך מפזר את אנרגיית הנחשולים ומגביל את משרעת המתח לטווח מסוים.
משדרים מבודדים
בידוד הוא פתרון אידיאלי לטיפול בהפרעות מוליכות, המציע בידוד חשמלי מעולה וחסינות הפרעות. בעת בחירת מקלט משדר מבודד, עיכוב שידור חייב להיות השיקול העיקרי, מכיוון שהוא משפיע הן על מרחק השידור והן על איכות האוטובוס. מומלץ להשתמש ב-CTM5MFD המבודד מגנטית לתכנון מעגל משדר הממשק.
בידוד אופטי
בידוד אופטי הוא פתרון אידיאלי לטיפול בבעיות הפרעות מוליכות, מכיוון שהוא מציע בידוד חשמלי מעולה וחסינות הפרעות. בעת בחירת מצמדים אופטו, יש לקחת בחשבון שני פרמטרים: עיכוב התפשטות ודחיית מצב- נפוץ (CMR). בתנאי שעיכוב ההפצה עומד בדרישות קצב ההעברה של תקשורת נתונים, יש לבחור מודלים עם דחיית מצב נפוץ- גבוה במידת האפשר. השיטה למדידת יכולת דחיית המצב-הנפוץ של מצמד אופטו היא קצב עליית המתח המרבי-המצב המשותף (צניחה) (CMH/CML) שהפלט יכול לעמוד בו בעודו גבוה (נמוך). לאחר יישום בידוד אופטי, יש להשתמש גם בבידוד אספקת החשמל.
תַקצִיר
הקרינה ממקורות הפרעות שונים היא מורכבת, וביטול מוחלט של הפרעות אלקטרומגנטיות היא משימה בלתי אפשרית. עם זאת, בהתבסס על העקרונות הבסיסיים של תאימות אלקטרומגנטית, ניתן לנקוט באמצעים על מנת למזער הפרעות אלקטרומגנטיות ולשמור אותה בגבולות הנסבלים של המערכת, ובכך להבטיח את הפעולה האמינה של המערכת או הציוד. אמצעי השיפור המתוארים לעיל יכולים לשפר ביעילות את ביצועי התאימות האלקטרומגנטית של התקני CAN FD.