A tecnologia CAN bus está se tornando cada vez mais difundida. No entanto, devido à grave interferência eletromagnética em campos como equipamentos industriais e automação industrial, garantir a comunicação normal do barramento CAN é particularmente importante. Este artigo analisará as causas da interferência eletromagnética em redes de barramento utilizando transceptores CAN FD de alta-velocidade, bem como soluções específicas para melhorias.
Análise de Compatibilidade Eletromagnética em Redes CAN FD
No projeto de produtos eletrônicos, o desempenho da compatibilidade eletromagnética (EMC) tem um impacto significativo no sistema e é fundamental para sua operação normal e estável. Restrições obrigatórias à compatibilidade eletromagnética de produtos eletrônicos já foram implementadas em todo o mundo, e o desempenho EMC tornou-se um indicador-chave da qualidade do produto.
A compatibilidade eletromagnética abrange principalmente dois aspectos: um é a interferência eletromagnética adversa gerada pelo próprio produto, conhecida como emissão de interferência eletromagnética (EMI); a outra é a sensibilidade do produto a sinais eletromagnéticos externos, conhecida como suscetibilidade eletromagnética (EMS). A fonte de interferência, o caminho de acoplamento e o equipamento sensível são os três elementos essenciais da compatibilidade eletromagnética e nenhum pode ser omitido.
Os sinais de interferência eletromagnética podem ser acoplados através de duas vias: conduzida e irradiada. Dependendo do mecanismo de acoplamento, a interferência é classificada em interferência de modo-comum e interferência de modo-diferencial. A interferência de modo-comum ocorre entre todas as linhas de sinal (incluindo linhas de sinal, linhas de dados e linhas de energia) e o terra, enquanto a interferência de modo-diferencial ocorre entre linhas de sinal.
As medidas para melhorar a compatibilidade eletromagnética (EMC) se enquadram em três categorias: melhorar o desempenho EMC do próprio equipamento eletrônico, usar tecnologia de blindagem para suprimir o acoplamento radiado e empregar isolamento para suprimir o acoplamento conduzido.
1. Projeto EMC
O projeto das placas de circuito mestre e escravo é fundamental para a EMC do sistema, e a capacidade de uma placa de circuito de emitir e receber radiação eletromagnética costuma ser consistente. Portanto, melhorar a imunidade à interferência de uma placa de circuito também suprime suas emissões eletromagnéticas. Os principais fatores no projeto PCB EMC incluem o seguinte:
Seleção e layout de componentes
Selecione componentes com bom desempenho EMC e priorize embalagens-montadas em superfície sempre que possível. Organize os componentes de forma lógica, colocando os componentes relacionados o mais próximos possível para minimizar os comprimentos de avanço entre as peças. Em particular, os osciladores de cristal que servem como fontes de relógio para microcontroladores e controladores CAN devem ser colocados de acordo com as especificações; caso contrário, eles não conseguirão oscilar.
Layout de aterramento adequado para reduzir a impedância de aterramento
O potencial de terra serve como potencial de referência para todos os sinais. Idealmente, todos os pontos de aterramento da PCB deveriam ter o mesmo potencial; entretanto, devido à impedância de terra, existem diferenças de potencial entre os pontos de terra. Portanto, a impedância de terra deve ser minimizada tanto quanto possível. O método mais eficaz é usar uma placa multicamadas com um plano de aterramento dedicado no meio.
Estabilizando a fonte de alimentação
Condições não ideais, como efeitos transitórios durante as transições de estado de saída da porta lógica e a presença de impedância da linha de alimentação, inevitavelmente introduzem ruído nas linhas de alimentação. Este ruído não só causa operação anormal do circuito, mas também gera radiação eletromagnética significativa. Além de usar uma malha de linha de energia para reduzir a indutância e a impedância das linhas de energia, também podem ser empregados capacitores de armazenamento.
2. Radiação Eletromagnética e Blindagem Eletromagnética
A blindagem eletromagnética é um dos principais métodos para resolver problemas de compatibilidade eletromagnética. Não interfere na operação normal dos circuitos e não requer modificações nos circuitos. A eficácia de uma blindagem é medida pelo seu desempenho de blindagem, que consiste em dois componentes: perda de reflexão e perda de absorção. Manter a continuidade elétrica da blindagem é fundamental para sua eficácia. Os cabos de barramento CAN são altamente suscetíveis à radiação e à recepção de interferências.
A área do loop entre os dois fios em um cabo de par trançado é muito pequena, e as correntes induzidas em quaisquer dois loops adjacentes estão em direções opostas, anulando-se mutuamente. Quanto mais apertada for a torção no cabo de par trançado,-mais pronunciado será esse efeito. Para reduzir a diafonia entre os dois barramentos CAN no sistema de rede, cada par de cabos de par trançado deve ser blindado separadamente e quaisquer condutores não utilizados no cabo devem ser conectados ao aterramento do sinal.
Aumente a densidade de torção; aterre o escudo
3. Interferência conduzida e isolamento de sinal
Durante a operação normal do sistema, os componentes que geram interferência conduzida significativa incluem fontes de alimentação chaveadas, servo-drives e dispositivos de controle de E/S. No entanto, o tipo de interferência mais prejudicial é a interferência transitória, caracterizada por curta duração, alta amplitude e baixa potência.
As formas de interferência transitória incluem: grupos de pulsos elétricos rápidos gerados quando o estado de um motor muda; surtos causados por raios ou cabos de alta{0}}energia; e indução de descarga eletrostática (ESD). A interferência conduzida é predominantemente de modo-comum, embora também ocorra alguma interferência de modo-diferencial. As medidas EMC usadas no sistema para garantir a confiabilidade da comunicação do barramento CAN incluem: protetores de sinal, diodos supressores de tensão transitória (TVS), transceptores isolados e isolamento óptico.
Protetor de sinal
Protetores de sinal externos dedicados eliminam interferências; por exemplo, o ZF-12Y2 absorve interferências e o CANFDbridge atua como um isolador.
Protetor de sinal e isolamento CANFDBridge
Supressor de tensão transitória (TVS)
Os supressores de tensão transitória são conectados em paralelo entre a linha de sinal e o aterramento do sinal para proteger os cabos contra picos de alta-tensão causados por quedas de raios ou descargas eletrostáticas. Quando a tensão no TVS excede um determinado limite, o dispositivo conduz rapidamente, dissipando assim a energia do surto e limitando a amplitude da tensão a uma faixa específica.
Transceptores Isolados
O isolamento é uma solução ideal para lidar com interferências conduzidas, oferecendo excelente isolamento elétrico e imunidade a interferências. Ao selecionar um transceptor isolado, o atraso de transmissão deve ser a principal consideração, pois afeta tanto a distância de transmissão quanto a qualidade do barramento. Recomenda-se usar o CTM5MFD isolado magneticamente para projetar o circuito transceptor de interface.
Isolamento Óptico
O isolamento óptico é uma solução ideal para resolver problemas de interferência conduzida, pois oferece excelente isolamento elétrico e imunidade a interferências. Ao selecionar optoacopladores, dois parâmetros devem ser considerados: atraso de propagação e rejeição de modo-comum (CMR). Desde que o atraso de propagação atenda aos requisitos de taxa de transmissão de comunicação de dados, modelos com alta rejeição de modo{3}}comum devem ser selecionados sempre que possível. O método para medir a capacidade de rejeição de modo-comum de um optoacoplador é a taxa máxima de aumento (queda) de tensão em modo-comum (CMH/CML) que a saída pode suportar enquanto permanece alta (baixa). Após a implementação do isolamento óptico, o isolamento da fonte de alimentação também deve ser empregado.
Resumo
A radiação de várias fontes de interferência é complexa e eliminar completamente a interferência eletromagnética é uma tarefa impossível. Contudo, com base nos princípios fundamentais da compatibilidade eletromagnética, podem ser tomadas medidas para minimizar a interferência eletromagnética e mantê-la dentro dos limites toleráveis do sistema, garantindo assim o funcionamento confiável do sistema ou equipamento. As medidas de melhoria descritas acima podem efetivamente melhorar o desempenho da compatibilidade eletromagnética dos dispositivos CAN FD.