Kuinka toteuttaa CAN-väylän signaali- ja virtaerotus luotettavuuden parantamiseksi

Ohjaimia käytetään kiihtyvään tahtiin auto- ja teollisuusjärjestelmissä, jotka on kytketty CAN (Controller Area Network) -tietoliikenneväyliin. Suunnittelijoille tämä tarkoittaa sitä, että heidän on otettava huomioon ympäristöt, jotka ovat sähköisesti meluisia laajalla taajuusalueella - suurtaajuisista säteilevistä sähkömagneettisista häiriöistä (EMI) tavanomaisiin johtuviin häiriöihin ja jännitepiikkeihin kun erilaisia kuormia kuten sähkömoottoreita ja releitä kytketään ja irrotetaan sekä kun latureita/generaattoreita käynnistetään ja pysäytetään. Vaikka CAN-väylät soveltuvat vaativiin sähköympäristöihin, ne ovat alttiita erilaisille vikatiloille, ellei niitä ole suojattu asianmukaisesti.

Tässä artikkelissa tarkastellaan CAN-vikojen potentiaalisia syitä ja esitetään yleisiä erotustekniikoita. Tämän jälkeen artikkeli esittelee ratkaisuja sellaisilta toimittajilta kutenTexas Instruments ,RECOM Power ,NXP Semiconductors jaAnalog Devices, joita suunnittelijat voivat käyttää CAN-laitteiden suojaamiseen. Se myös tarjoaa ohjeita miten toteuttaa ratkaisut tehokkaasti, mukaan lukien arviointialustojen käyttö. Esitetyt ratkaisut sisältävät sekä erillistoteutuksia (ts. perustuvat yhteen CAN-lähetin-vastaanottimeen) että integroituja ratkaisuita, jotka perustuvat yhden ja kahden sirun erotettuihin CAN-väylämalleihin.

Vikaantumisen syyt ja erotuksen tarve

CAN-väylän viat voivat johtua monista syistä: osajärjestelmien väliset maapotentiaalierot; yleiset melulähteet, kuten yhteismuotoinen energia ja säteilevä energia; sekä suurjännitemelu ja piikit sähkönjakeluväylässä. CAN-väyläyhteyksissä tarvitaan kahden tyyppisitä erotusta luotettavan toiminnan varmistamiseen auto- ja teollisuusjärjestelmissä:

1. erotus virtaväylästä
2. erotus eri osajärjestelmiä yhdistävistä tietoliikenneväylistä.

Ratkaisut, joissa teho- ja signaalireiteillä käytetään erillistä erotusta, ovat usein halvempia ja niillä on korkeampi hyötysuhde kuin integroiduilla ratkaisuilla. Näiden ratkaisujen avulla suunnittelija voi myös optimoida itsenäisesti kahden eri reitin erotustasot. Suunnittelija voi vapaasti valita tietylle sovellukselle sopivimman erotustekniikkatyypin. Vaihtoehtoja ovat magneettinen erotus, optinen erotus ja kapasitiivinen erotus. Tämä artikkeli ei sisällä erilaisten erotusvaihtoehtojen yksityiskohtaista tarkastelua, mutta löydät hyvän katsauksen aiheeseen artikkelissa ”Kuinka valita oikea galvaaninen erotustekniikka IoT-antureille ”.

Myös sähköisen peruserotuksen (käyttäen materiaaleja, jotka eivät salli sähkövirtaa) ja vahvistetun erotuksen välillä on selkeä ero. Vaadittu erotustaso määräytyy käytettävistä jännitetasoista sekä siitä onko kosketettavilla osilla yhteyttä maapotentiaaliin. Perustason erotus tarjoaa yhden suojaustason sähköiskuja vastaan. Järjestelmiä, joiden jännite on yli 60 V DC tai 30 V AC, pidetään vaarallisina ja ne vaativat vähintään yhden suojaustason. Järjestelmä ei välttämättä ole turvallinen vikatilanteessa, mutta kaikki viat pysyvät järjestelmän sisällä. Vahvistettu tai kaksinkertainen erotus tarjoaa kaksi suojaustasoa. Tämä varmistaa käyttäjän turvallisuuden vikatilanteessa. Verkkovirtaan liitetyssä järjestelmässä vaaditaan vahvistettua erotusta.

Kompromissit erotusratkaisujen suunnittelussa

CAN-väyläjärjestelmien erotusvaihtoehtoihin sisältyvät erillisratkaisut, joissa virta ja signaali erotetaan erikseen, sekä täysin integroidut virta- ja signaalierotusratkaisut. Integroituihin ratkaisuihin voi sisältyä myös muita suojaustoimintoja, kuten korkean sähköstaattisen purkauksen (ESD) kesto ja radiotaajuisten (RF) häiriöiden sieto, joiden ansiosta niitä voidaan käyttää auto- ja teollisuussovelluksissa ilman lisäsuojalaitteita kuten transienttijännitteen vaimennusdiodeja.

Näiden ratkaisuvaihtoehtojen välillä on suorituskykykompromissi koon ja hyötysuhteen välillä. Ratkaisukooltaan yhden sirun ratkaisut ovat pienimmät - niiden pinta-ala on tyypillisesti noin 330 neliömillimetriä (mm²). Kaksisiruiset ratkaisut ovat suurempia, tyypillisesti noin 875 mm² . Ulkoisen DC-DC-muuntimen koon ja tarvittavien lisäkomponenttien seurauksena erillisratkaisut ovat huomattavasti suurempia, tyypillisesti noin 1 600 – 2 000 mm².

Myös hyötysuhteessa on kompromisseja, suurempien ratkaisujen hyötysuhde on yleensä huomattavasti parempi. Koska käytettävät tehotasot ovat kuitenkin yleensä melko alhaiset (3–5 volttia ja enintään 15 milliampeeria (mA)) lämpövaikutukset eivät ole merkittäviä suunnittelun kannalta. Hyötysuhteet ovat yhden ja kahden sirun ratkaisuissa 50–60 % ja ulkoista DC-DC-muunninta käyttävillä erillisillä erotusratkaisuilla jopa 75–80 % .

Erilliset erotusratkaisut CAN-lähetin-vastaanottimissa

Erotetut CAN-lähetin-vastaanottimet ovat suhteellisen suoraviivaisia laitteita. Otetaanpa esimerkiksi Texas InstrumentsinISO1042DWR, erotettu CAN-lähetin-vastaanotin 70 voltin väylän vikasuojauksella ja joustavalla datanopeudella (kuva 1). ISO1042DWR-laite on saatavana joko perustason tai vahvistetulla erotuksella. Perustason ISO1042-lähetin-vastaanottimet on suunniteltu teollisiin sovelluksiin.

Kuva 1: Erotettu CAN-lähetin-vastaanotin ISO1042 on saatavana valittavana perustason tai vahvistetulla galvaanisella erotuksella. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

ISO1042 tukee tiedonsiirtonopeutta 5 megabittiä sekunnissa (Mb/s) CAN FD -tilassa (Flexible Data-rate, joustava datanopeus), mikä mahdollistaa paljon nopeamman tiedonsiirron kuin perinteinen CAN. Tämä laite käyttää eristevallina piidioksidia (SiO₂), jonka kestojännite on 5 000 volttia rms. ISO1042 antaa suunnittelijan valita optimaaliset väyläsuojalaitteet kyseisen sovellusten erityistarpeiden mukaisesti. Kun sitä käytetään yhdessä erotetun virtalähteen kanssa, se estää dataväylän ja muiden piirien meluvirtoja pääsemästä paikalliseen maahan ja häiritsemästä herkkiä piirejä ja vahingoittamasta niitä.

Näillä erotetuilla CAN-lähetinvastaanottimilla on useita turvallisuuteen liittyviä sertifikaatteja (nämä ovat tärkeitä turvallisuusstandardeja ja sertifikaatteja kaikille laitteille, jotka tarjoavat vahvistettuja ja/tai peruserotusvaihtoehtoja):

• 7071-VPK VIOTM ja 1500-VPK VIORM (vahvistetut ja perusvaihtoehdot) DIN VDE V 0884-11: 2017-01 -standardin mukaisesti
• 5000-VRMS-erotus minuutin ajan UL 1577:n mukaisesti
• IEC 60950-1, IEC 60601-1 ja EN 61010-1 -sertifikaatit
• CQC-, TUV- ja CSA-sertifikaatit.

Suunnittelijoilla, jotka haluavat käyttää ISO1042-piiriä, on kaksi vaihtoehtoa arviointialustaksi. Texas Instruments tarjoaaISO1042DWEVM -arviointimoduulin, jonka avulla suunnittelijat voivat arvioida suuritehoista CAN ISO1042 -piiriä vahvistetulla erotuksella 16-jalkaisessa leveärunkoisessa SOIC-kotelossa (kotelokoodi DW). EVM on kaksisiruinen ratkaisu, ja siinä on tarpeeksi testipisteitä ja hyppyjohtovaihtoehtoja laitteen arvioimiseksi mahdollisimman vähillä ulkoisilla komponenteilla.

RECOM Power tarjoaa ISO1042-piirille R-REF03-CAN1 -arviointialustan. R-REF03-CAN1-kortti esittelee erotetun CAN-lähetin-vastaanottimen ISO1042, jota syöttää erotettu DC-DC-muunnin R1SX-3.305/H. Referenssialusta tarvitsee käyttöjännitteekseen vain yhden 3,3 voltin ulkoisen virtalähteen. Tämän referenssialustan avulla suunnittelijat voivat nopeasti kehittää ja analysoida erotettuja järjestelmiä.

Siinä missä Texas Instrumentsin ISO1042 on optimoitu käytettäväksi teollisissa CAN-sovelluksissa, NXP:n nopea CAN-lähetin-vastaanotin TJA1052i on suunnattu erityisesti sähköajoneuvoja (EV) ja sähkökäyttöisiä hybridiajoneuvoja (HEV) varten, joissa galvaanista erotussuojausta tarvitaan korkea- ja matalajännitteisten osien väliin (kuva 2).

Kuva 2: NXP:n TJA1052i on optimoitu käytettäväksi sähköajoneuvoissa ja sähkökäyttöisissä hybridiajoneuvoissa. (Kuvalähde: NXP Semiconductors)

TJA1052i on suunniteltu käytettäväksi litium-ioni (Li-ion) -akkujen hallinnassa, regeneratiivisessa jarrutuksessa sekä 48/12 voltin tasomuunnoksessa. Laitetta voidaan käyttää myös on-demand suurjännitepumppujen ja moottoreiden erottamiseen hihnanpoistoprojekteissa. AEC-Q100-hyväksytty TJA1052i toteuttaa CAN-protokollan fyysisen kerroksen (PHY) ISO 11898-2:2016-standardin ja SAE J2284-1- ... SAE J2284-5-standardien mukaisesti. Saatavana on kolme erotustasoa: 1 kilovoltti (kV), 2,5 kV ja 5 kV. Kuten ISO1042, TJA1052i vaatii ulkoisen erotetun virtalähteen.

Integroidut virta- ja signaalinerotusratkaisut

Vaikka erilliset DC-DC-muunninta käyttävät toteutukset ovat yleensä tehokkaampia integroituihin vastaaviin verrattuna, integroidut ratkaisut tarjoavat useita etuja:

• ne vaativat vähemmän tilaa piirilevyltä
• helpompi sertifiointi
• yksinkertaisempi suunnittelu.

Analog Devices -yrityksen ADM3055E/ADM3057E on 5 kV rms ja 3 kV rms erotettu CAN-lähetin-vastaanotin integroiduilla erotetuilla DC-DC-muuntimilla (kuva 3).

Kuva 3: Erotettu CAN-lähetin-vastaanotin ADM3055E/ADM3057E sisältää sekä virta- että signaalierotuksen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Laitteet saavat virtansa yhdestä 5 voltin virtalähteestä ja tarjoavat täysin erotetun ratkaisun CAN- ja CAN FD -laitteille. DC-DC-muuntimien suurtaajuuskytkennän säteilypäästöt pidetään alle standardin EN 55022 luokan B rajojen säätämällä kytkentätaajuutta jatkuvasti. Turvallisuus- ja viranomaishyväksynnät (odottavat tämän kirjoitushetkellä) 5 kV:n rms erotusjännitteelle, 10 kV:n ylijännitetestille sekä 8,3 mm ryömintä sekä välys varmistavat, että ADM3055E täyttää sovelluksen vaatimukset koskien vahvistettua erotusta. ADM3057E:n erotusjännite on 3 kV rms ja ryömintä 7,8 mm 20-jalkaisessa leveärunkoisessa SOIC-kotelossa.

Analog Devices tarjoaa ADM3055E/ADM3057E-piirille kehitystyön tukemiseksi arviointialustan EVAL-ADM3055EEBZ. ADM3055E ja ADM3057E integroivat logiikkapuolen katkoavainnuksen (OOK) signaalierotuskanavat ja Analog Devices isoPower DC-DC-muuntimen tuottamaan reguloidun ja erotetun jännitteen, joka on selvästi alle EN55022 luokan B rajojen, kun lähetys tapahtuu kaksikerroksiselta piirilevyltä käyttäen ferriittihelmiä pintaliitosasennuksella.

Texas Instruments tarjoaa erilaisen lähestymistavan virta- ja signaalierotukseen CAN-viestinnässä. Se perustuu kahden sirun ratkaisuun ja käyttää ISOW7841-piiriä, kaksikanavaista erotettua data- ja virtalaitetta yhdessä CAN-lähetin-vastaanottimen TCAN1042H kanssa (kuva 4).

Kuva 4: Tämä kaksisiruinen ratkaisu tarjoaa virta- ja signaalierotuksen yhdellä sirulla (vasemmalla) ja CAN-viestinnän toisella sirulla (oikealla). (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Muuntajan integrointi ISOW7841-sirun sisään säästää tilaa x- ja y-suuntien lisäksi myös z (korkeus) -suunnassa. ISOW7841-piirin arvioimiseksi voidaan käyttää arviointimoduulia ISOW7841EVM. Kahta sirua käytettäessä levyn kokonaistilaa voidaan vähentää sijoittamalla ISOW7841-laite levyn toiselle puolelle ja CAN-laite toiselle puolelle.

Tämä kaksisiruinen ratkaisu mahdollistaa tuotteet, jotka eivät vaadi lisäkomponentteja virtaerotuksen generoimiseen, jolloin erotusratkaisu on alle neljännes sellaisten ratkaisujen koosta, jotka käyttävät erillistä muuntajaa tarvittavan virtaerotuksen muodostamiseen. Yksi tähän liittyvä referenssisuunnitelma tuo yhden jännitetulon 3–5,5 volttia ja tulojännitteen tasoon verrattavat digitaalisignaalit piirilevyn yhdelle puolelle. Sitten ISOW7841 tarjoaa erotetun virtalähteen käyttämällä integroitua DC-DC-muunninta ja syöttää virran piirilevyn toisella puolella sijaitsevalle CAN-lähetin-vastaanottimelle. Piirilevyn virtapuolen signaalit erotetaan ja kytketään CAN-lähetin-vastaanottimeen, joka muuntaa epäsymmetriset digitaaliset signaalit differentiaaliseen CAN-muotoon.

Yhteenveto

Virta- ja signaalierotus on välttämätöntä CAN-väylien suojaamiseksi potentiaalisilta vioilta, jotka johtuvat osajärjestelmien maapotentiaalieroista, yleisistä melulähteistä kuten yhteismuotoinen energia ja säteilevä energia sekä suurjännitekohinasta ja piikeistä sähkönjakeluväylässä.

Kuten artikkelissa on esitetty, CAN-väyläjärjestelmien erotusvaihtoehdot sisältävät erillisratkaisut, joissa virta ja signaali erotetaan erikseen, sekä täysin integroidut virta- ja signaalierotusratkaisut, jotka voivat sisältää myös muita suojaustoimintoja, joiden ansiosta niitä voidaan käyttää auto- ja teollisuussovelluksissa ilman muita suojalaitteita, esimerkkinä vaimennusdiodit.

Suositeltavaa luettavaa

1:Kuinka valita oikea galvaaninen erotustekniikka IoT-antureille

2:Käytä uusimpia CAN-väyläparannuksia turvalliseen, luotettavaan ja nopeaan autoviestintään