Hur man implementerar effekt- och signalisolering för tillförlitlig drift av CAN-bussar

Det finns ett växande bruk av styrenheter i fordons- och industrisystem som är sammankopplade med CAN-kommunikationsbussar. För konstruktörer betyder detta att de måste ta hänsyn till miljöer som är elektriskt brusiga över ett brett spektrum av frekvenser - från högfrekvent utstrålad elektromagnetisk interferens (EMI) till vanliga störningar och spänningstoppar från anslutning och frånkoppling av olika laster, t.ex. som elmotorer, reläer och startmotorer och generatorer. Även om CAN-bussar är lämpade för elektriskt utsatta miljöer är de benägna att haverera på olika vis om de inte skyddas ordentligt.

Denna artikel granskar de potentiella orsakerna till CAN-fel och presenterar några vanliga isoleringstekniker. Sedan introduceras lösningar från leverantörer somTexas instrument, RECOM Power, NXP Semiconductors och Analog Devices som konstruktörer kan använda för att skydda CAN-enheter, tillsammans med vägledningar om hur lösningarna implementeras effektivt, inklusive användning av utvärderingskort. De presenterade lösningarna omfattar diskreta implementeringar (dvs. baserade på en enskild CAN-transceiver) och integrerade lösningar baserade på isolerade CAN-busskonstruktioner på en eller två kretsar.

Källor till haverier och behovet av isolering

Fel i CAN-bussar kan härröra från olika källor: jordpotentialskillnader mellan subsystem, allmänna bruskällor såsom energi och utstrålad energi av typ common-mode samt högspänningsbrus och -spikar på effektmatningsbussen. Två typer av isolering krävs för att säkerställa robust funktion av CAN-bussanslutningar i fordons- och industrisystem:

1. Isolering från effektbussen
2. Isolering av kommunikationsbussarna som förbinder de olika subsystemen

Lösningar som använder separat isolering för effekt- och signalvägar har ofta lägre kostnader och högre effektivitet jämfört med integrerade lösningar. Dessa lösningar gör det också möjligt för konstruktören att självständigt optimera isoleringsnivåerna för de två vägarna. Konstruktören kan välja vilken typ av isoleringsteknik som är mest lämplig för den specifika tillämpningen. Valen inkluderar magnetisk isolering, optisk isolering och kapacitiv isolering. En detaljerad diskussion om de olika isoleringsvalen ligger utanför ramen för denna artikel, men för den som vill läsa en bra granskning kan vi tipsa om “Hur man väljer rätt galvanisk isoleringsteknik för IoT-sensorer”.

Det finns också en grundläggande distinktion mellan elektrisk isolation (material som inte tillåter att elektrisk ström går genom det) och förstärkt isolering. Den erforderliga isolationsnivån bestäms av de respektive spänningsnivåerna, samt närvaro eller frånvaro av en förbindelse mellan komponenterna ifråga och jord. En grundisolation ger en skyddsnivå mot elektriska stötar. System med en spänning högre än 60 VDC eller 30 VAC anses vara farliga och kräver minst en skyddsnivå. Systemet kommer inte nödvändigtvis att fungera säkert, men alla fel kommer att hållas inom systemet. Förstärkt eller dubbel isolation ger två skyddsnivåer. Detta säkerställer användarsäkerhet om ett fel uppstår. Ett system som är anslutet till nätspänningen måste ha förstärkt isolation.

Hitta avvägningar mellan olika isolationslösningar

Olika alternativ för isolering i CAN-bussystem inkluderar diskreta lösningar där effekt och signaler är isolerade separat, samt helt integrerade effekt- och signalisoleringslösningar. Integrerade lösningar kan också inkludera relaterade skyddsfunktioner, såsom tålighet mot hög elektrostatisk urladdning (ESD) och radiofrekvensimmunitet (RF), vilket möjliggör användning i fordons- och industritillämpningar utan ytterligare skyddsanordningar såsom dämpningsdioder mot transientspänningar.

Det finns en prestandaavvägning mellan storlek och effektivitet mellan dessa olika lösningsalternativ. När det gäller komponentstorlek är enchipslösningar de minsta - vanligtvis har de ett format på cirka 330 mm². Tvåchipslösningar är större, vanligtvis cirka 875 mm² . Som en följd av storleken på den externa DC/DC-omvandlaren och de nödvändiga stödkomponenterna, är diskreta lösningar betydligt större, vanligtvis ca 1600 till 2000 mm² i storlek.

Det finns också effektivitetsavvägningar, där de större lösningarna tenderar att vara betydligt effektivare. Eftersom de involverade effektnivåerna tenderar att vara ganska låga - 3 till 5 V vid upp till 15 mA - kanske den termiska påverkan inte är signifikant i en konstruktion. Effektiviteten varierar från 50 till 60 % för enchips- och tvåchipslösningar, och upp till 75 till 80 % för diskreta isoleringslösningar med en extern DC/DC-omvandlare.

Diskreta isoleringslösningar för CAN-mottagare

Isolerade CAN-transceivers är relativt enkla komponenter. Tänk till exempel på Texas InstrumentsISO1042DWR isolerade CAN-transceiver med 70 V busskydd och flexibel datahastighet (figur 1). ISO1042DWR-enheten finns tillgänglig med ett urval av grundläggande eller förstärkt isolering. De grundläggande ISO1042-transceivrarna är utvecklade för industriella tillämpningar.

Figur 1: Den isolerade CAN-transceivern ISO1042 finns med ett urval av grundläggande eller förstärkt galvanisk isolering. (Bildkälla: Texas Instruments)

ISO1042 stöder datahastigheter på upp till 5 Mbit/s i flexibelt CAN-datahastighetsläge (FD), vilket möjliggör mycket snabbare dataöverföring jämfört med klassiskt CAN. Enheten använder en isoleringsbarriär i kiseldioxid (SiO₂) med en genombrottsspänning på 5000 Vrms. ISO1042 gör det möjligt för konstruktören att välja optimala busskyddsanordningar för enskilda tillämpningar. Enheten används tillsammans med isolerade strömförsörjningar och förhindrar brusströmmar på en databuss eller andra kretsar från att komma in på lokal jord och störa eller skada känsliga kretsar.

Dessa isolerade CAN-transceivers har flera säkerhetscertifieringar (dessa är viktiga säkerhetsstandarder och -certifieringar för alla komponenter som erbjuder förstärkt och/eller grundläggande isolering):

• 7071-VPK VIOTM och 1500-VPK VIORM (förstärkt och grundläggande alternativ) enligt DIN VDE V 0884-11: 2017-01
• 5000-VRMS-isolering under en minut per UL 1577
• IEC 60950-1-, IEC 60601-1- och EN 61010-1-certifieringar
• CQC-, TUV- och CSA-certifieringar

Det finns två alternativ av utvärderingskort för konstruktörer som överväger att tillämpa ISO1042. Texas Instruments erbjuder utvärderingsmodulen ISO1042DWEVM som gör det möjligt för ingenjörer att utvärdera den högpresterande, förstärkt isolerade CAN ISO1042 i 16-stifts SOIC-format med bred kapsling (kapslingsbenämning DW). Utvärderingsmodulen är en tvåchipslösning och har tillräckligt med testpunkter och byglingsmöjligheter för att utvärdera komponenten med minimalt med externa komponenter.

RECOM Power erbjuder utvärderingskortet R-REF03-CAN1 för ISO1042. R-REF03-CAN1-kortet visar den isolerade CAN-transceivern ISO1042 som matas från den isolerade DC/DC-omvandlaren R1SX-3.305/H. För att mata referenskortet krävs endast en extern 3,3 V försörjning. Detta referenskort gör det möjligt för konstruktörer att snabbt utveckla och analysera isolerade system.

Medan Texas Instruments ISO1042 är optimerad för användning i industriella CAN-tillämpningar, riktar sig den snabba CAN-sändtagaren TJA1052i från NXP specifikt till elfordon (EV) och hybridelektriska fordon (HEV), där galvaniska isoleringsbarriärer behövs mellan hög- och lågspänningsdelarna (figur 2).

Figur 2: TJA1052i från NXP är optimerad för användning i elfordon och hybridelektriska fordon. (Bildkälla: NXP Semiconductors)

TJA1052i är utformad för användning med litiumjonbatterier (Li-jon), regenerativ bromsning och 48 till 12 V nivåomvandling. Enheten kan också användas för att isolera on-demand-pumpar och motorer med högspänning i projekt för remfri drift. Den AEC-Q100-certifierade TJA1052i implementerar det fysiska CAN-skiktet (PHY) enligt definitionen i ISO 11898-2:2016 och SAE J2284-1 till SAE J2284-5. Tre isoleringsnivåer är tillgängliga: 1 kV, 2,5 kV och 5 kV. Liksom ISO1042 kräver TJA1052i en extern isolerad strömkälla.

Integrerade lösningar för effekt- och signalisolering

Även om diskreta utföranden av DC/DC-omvandlare i allmänhet är effektivare jämfört med integrerade motsvarigheter, erbjuder integrerade lösningar flera fördelar:

• Tar upp mindre yta på kort
• Enklare certifiering
• Enkelhet i konstruktionen

ADM3055E/ADM3057E från Analog Devices är 5 resp. 3 kVrms-isolerade CAN-transceivers med integrerade, isolerade DC/DC-omvandlare (figur 3).

Bild 3: De isolerade CAN-sändtagarna ADM3055E/ADM3057E integrerar både effekt- och signalisolering. (Bildkälla: Analog Devices)

Enheterna drivs av en enda 5 V strömförsörjning och ger en helt isolerad lösning för CAN och CAN FD. Strålade utsläpp från högfrekvent switchning av DC/DC-omvandlare hålls under EN 55022 Class B-gränserna genom kontinuerliga justeringar av switchningsfrekvensen. Säkerhets- och regelverksgodkännanden (under behandling då detta skrivs) för 5 kVrms isolationsspänning, 10 kV strömrusningstest och 8,3 mm krypning och friavstånd säkerställer att ADM3055E uppfyller tillämpningskrav på förstärkt isolering. ADM3057E har en isoleringsspänning på 3 kV rms och 7,8 mm krypning i en 20-bens SOIC med bred kapsling.

För att underlätta konstruktionsarbete med ADM3055E/ADM3057E, erbjuder Analog Devices utvärderingskortet EVAL-ADM3055EEBZ. ADM3055E och ADM3057E har inbyggda OOK-signalisoleringskanaler för logiksidan och en isoPower DC/DC-omvandlare från Analog Devices för att tillhandahålla reglerad, isolerad effekt som ligger långt under EN55022 Class B-gränserna vid utsändning på ett tvålagerskretskort med ytmonterade ferritpärlor.

Texas Instruments erbjuder ett annat tillvägagångssätt för effekt- och signalisolering i CAN-kommunikation baserat på en tvåchipslösning som använderISOW7841, en tvåkanalig isolerad data- och effektmodul tillsammans med CAN-transceivern TCAN1042H (figur 4).

Figur 4: Denna tvåchipslösning ger effekt- och signalisolering i ett chip (vänster) och CAN-kommunikation i det andra chipet (höger). (Bildkälla: Texas Instruments)

Integrationen av transformatorn i ISOW7841-kretsen sparar inte bara utrymme i x- och y-led utan också i z-led (höjd). För att utvärdera ISOW7841, finns utvärderingsmodulen ISOW7841EVM. När du arbetar med de två kretsarna kan den totala kortytan minskas genom att placera ISOW7841-enheten på ena sidan av ett kort och CAN-enheten på den andra.

Denna tvåkretslösning resulterar i konstruktioner som inte kräver några ytterligare komponenter för att generera den isolerade effekten, vilket gör isoleringslösningen mindre än en fjärdedel så stor som utföranden som använder en diskret transformator för att generera önskad isolerad effekt. En relaterad referenskonstruktion har en enda strömförsörjningsingång på mellan 3 och 5,5 V och de digitala signalerna är förlagda till ingångsmatningsnivån på ena sidan av ett kort. ISOW7841 genererar sedan en isolerad strömförsörjning med en integrerad DC/DC-omvandlare som används för att driva CAN-transceivern på andra sidan av kortet. Signalerna på styrsidan av kortet är isolerade och anslutna till CAN-transceivern, som omvandlar de enskilda digitala signalerna till det differentiella CAN-formatet.

Sammanfattning

Effekt- och signalisolering är nödvändigt för att skydda CAN-bussar från potentiella fel som orsakas av jordpotentialskillnader mellan subsystem, allmänna bruskällor, såsom energi och utstrålad energi av typ common-mode samt högspänningsbrus och -spikar på effektmatningsbussen.

Som visat inkluderar isoleringsalternativ för CAN-bussystem diskreta lösningar där effekt och signal är separat isolerade, samt helt integrerade effekt- och signalisoleringslösningar, som också kan inkludera relaterade skyddsfunktioner som kan tillåta deras användning i bil- och industriapplikationer. utan ytterligare skyddsanordningar, såsom suppressordioder.

Rekommenderad läsning

1:Hur man väljer rätt galvanisk isoleringsteknik för IoT-sensorer

2:Tillämpa de senaste CAN-bussförbättringarna för säker pålitlig höghastighetsfordonskommunikation