เทคโนโลยี CAN บัสกำลังแพร่หลายมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างรุนแรงในด้านต่างๆ เช่น อุปกรณ์อุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การรับรองว่าการสื่อสาร CAN บัสปกติจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง บทความนี้จะวิเคราะห์สาเหตุของการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าในเครือข่ายบัสโดยใช้ตัวรับส่งสัญญาณ CAN FD ความเร็วสูง- รวมถึงวิธีแก้ปัญหาเฉพาะสำหรับการปรับปรุง
การวิเคราะห์ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในเครือข่าย CAN FD
ในการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) มีผลกระทบอย่างมากต่อระบบ และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานปกติและมีเสถียรภาพ ข้อจำกัดบังคับเกี่ยวกับความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ถูกนำมาใช้ทั่วโลกแล้ว และประสิทธิภาพของ EMC ได้กลายเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าโดยพื้นฐานแล้วครอบคลุมสองลักษณะ ด้านหนึ่งคือการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดจากตัวผลิตภัณฑ์เอง หรือที่เรียกว่าการปล่อยการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI); อีกประการหนึ่งคือความไวของผลิตภัณฑ์ต่อสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกที่เรียกว่าความไวต่อแม่เหล็กไฟฟ้า (EMS) แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน เส้นทางการเชื่อมต่อ และอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนเป็นองค์ประกอบสำคัญสามประการของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่สามารถละเว้นได้
สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเชื่อมต่อผ่านสองเส้นทาง: ดำเนินการและแผ่รังสี ขึ้นอยู่กับกลไกการควบคู่ การรบกวนจะแบ่งออกเป็น-การรบกวนโหมดทั่วไปและการรบกวนโหมด-ที่แตกต่างกัน การรบกวนโหมด-ทั่วไปเกิดขึ้นระหว่างสายสัญญาณทั้งหมด (รวมถึงสายสัญญาณ สายข้อมูล และสายไฟฟ้า) และกราวด์ ในขณะที่การรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียล-เกิดขึ้นระหว่างสายสัญญาณ
มาตรการในการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) แบ่งออกเป็นสามประเภท: การเพิ่มประสิทธิภาพ EMC ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เอง การใช้เทคโนโลยีการป้องกันเพื่อระงับการเชื่อมต่อแบบแผ่รังสี และใช้การแยกเพื่อระงับการเชื่อมต่อแบบดำเนินการ
1. การออกแบบอีเอ็มซี
การออกแบบแผงวงจรหลักและรองมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ EMC ของระบบ และความสามารถของแผงวงจรในการส่งและรับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามักจะสอดคล้องกัน ดังนั้นการปรับปรุงภูมิคุ้มกันของแผงวงจรต่อการรบกวนยังช่วยลดการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย ปัจจัยสำคัญในการออกแบบ PCB EMC มีดังต่อไปนี้:
การเลือกส่วนประกอบและเค้าโครง
เลือกส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพ EMC ที่ดีและจัดลำดับความสำคัญ-บรรจุภัณฑ์แบบติดตั้งบนพื้นผิวทุกครั้งที่เป็นไปได้ จัดเรียงส่วนประกอบอย่างมีเหตุผล โดยวางส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องให้อยู่ใกล้กันมากที่สุดเพื่อลดความยาวของตะกั่วระหว่างชิ้นส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งสัญญาณนาฬิกาสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์และคอนโทรลเลอร์ CAN จะต้องวางตามข้อกำหนดเฉพาะ มิฉะนั้นพวกเขาจะล้มเหลวในการสั่นไหว
เค้าโครงกราวด์ที่เหมาะสมเพื่อลดความต้านทานของกราวด์
ศักย์ภาคพื้นดินทำหน้าที่เป็นศักย์อ้างอิงสำหรับสัญญาณทั้งหมด ตามหลักการแล้ว จุดกราวด์ทั้งหมดบน PCB ควรมีศักยภาพเท่ากัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอิมพีแดนซ์ของกราวด์ จึงทำให้เกิดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างจุดกราวด์ ดังนั้นควรลดอิมพีแดนซ์กราวด์ให้เหลือน้อยที่สุด วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือการใช้บอร์ดหลายชั้นโดยมีระนาบกราวด์เฉพาะอยู่ตรงกลาง
การรักษาเสถียรภาพของพาวเวอร์ซัพพลาย
สภาวะที่ไม่เหมาะ เช่น ผลกระทบชั่วคราวระหว่างการเปลี่ยนสถานะเอาต์พุตของลอจิกเกต และการมีอยู่ของอิมพีแดนซ์ของสายไฟ ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในสายจ่ายไฟอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ สัญญาณรบกวนนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการทำงานของวงจรที่ผิดปกติ แต่ยังก่อให้เกิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญอีกด้วย นอกจากการใช้ตาข่ายสายไฟเพื่อลดความเหนี่ยวนำและความต้านทานของสายไฟแล้ว ยังสามารถใช้ตัวเก็บประจุจัดเก็บได้อีกด้วย
2. การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า
การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในวิธีการสำคัญในการแก้ไขปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่รบกวนการทำงานปกติของวงจร และไม่ต้องดัดแปลงวงจร ประสิทธิภาพของเกราะวัดจากประสิทธิภาพการป้องกัน ซึ่งประกอบด้วยสององค์ประกอบ: การสูญเสียการสะท้อนและการสูญเสียการดูดซึม การรักษาความต่อเนื่องทางไฟฟ้าของชีลด์เป็นสิ่งสำคัญต่อประสิทธิผล สายเคเบิล CAN บัสมีความไวสูงต่อทั้งการแผ่รังสีและการรับสัญญาณรบกวน
พื้นที่วนรอบระหว่างสายไฟทั้งสองเส้นในสายคู่ตีเกลียว-มีขนาดเล็กมากและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในสองวงที่อยู่ติดกันนั้นอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นจึงตัดกัน ยิ่งบิดสายคู่บิดเกลียว-ให้แน่นมากขึ้น เอฟเฟ็กต์นี้ก็จะยิ่งเด่นชัดมากขึ้นเท่านั้น เพื่อลดสัญญาณรบกวนระหว่าง CAN บัสทั้งสองในระบบเครือข่าย สายเคเบิลบิดเกลียว-แต่ละคู่ควรมีฉนวนหุ้มแยกกัน และตัวนำใดๆ ที่ไม่ได้ใช้ในสายเคเบิลควรเชื่อมต่อกับกราวด์สัญญาณ
เพิ่มความหนาแน่นของการบิด กราวด์โล่
3. การดำเนินการรบกวนและการแยกสัญญาณ
ในระหว่างการทำงานของระบบตามปกติ ส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดการรบกวนที่สำคัญ ได้แก่ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เซอร์โวไดรฟ์ และอุปกรณ์ควบคุม I/O อย่างไรก็ตาม ประเภทของการรบกวนที่อันตรายที่สุดคือการรบกวนชั่วคราว ซึ่งมีลักษณะของระยะเวลาสั้น แอมพลิจูดสูง และพลังงานต่ำ
รูปแบบของการรบกวนชั่วคราวได้แก่: กลุ่มพัลส์ไฟฟ้าเร็วที่สร้างขึ้นเมื่อสถานะของมอเตอร์เปลี่ยนแปลง ไฟกระชากที่เกิดจากฟ้าผ่าหรือสวิตช์ไฟสูง-บนสายเคเบิล และการเหนี่ยวนำการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) การรบกวนแบบนำเป็นโหมดที่พบบ่อยที่สุด- แม้ว่าการรบกวนแบบโหมดดิฟเฟอเรนเชียลบางอย่างจะเกิดขึ้นก็ตาม มาตรการ EMC ที่ใช้ในระบบเพื่อรับรองความน่าเชื่อถือของการสื่อสาร CAN บัสประกอบด้วย: ตัวป้องกันสัญญาณ ไดโอดตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) ตัวรับส่งสัญญาณแบบแยก และการแยกแสง
ตัวป้องกันสัญญาณ
ตัวป้องกันสัญญาณภายนอกโดยเฉพาะช่วยขจัดสัญญาณรบกวน ตัวอย่างเช่น ZF-12Y2 ดูดซับสัญญาณรบกวน และ CANFDbridge ทำหน้าที่เป็นตัวแยก
ตัวป้องกันสัญญาณและการแยก CANFDBridge
เครื่องป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS)
ตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะเชื่อมต่อแบบขนานระหว่างสายสัญญาณและกราวด์สัญญาณเพื่อป้องกันสายเคเบิลจากไฟกระชากแรงดันสูง-ที่เกิดจากฟ้าผ่าหรือการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต เมื่อแรงดันไฟฟ้าทั่ว TVS เกินเกณฑ์ที่กำหนด อุปกรณ์จะดำเนินการอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะกระจายพลังงานไฟกระชากและจำกัดแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในช่วงที่กำหนด
เครื่องรับส่งสัญญาณแบบแยก
การแยกเป็นโซลูชันที่ดีเยี่ยมสำหรับการจัดการสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น โดยนำเสนอฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและภูมิคุ้มกันสัญญาณรบกวน เมื่อเลือกตัวรับส่งสัญญาณแบบแยก ความล่าช้าในการส่งสัญญาณจะต้องได้รับการพิจารณาเบื้องต้น เนื่องจากจะส่งผลต่อทั้งระยะการส่งสัญญาณและคุณภาพของบัส ขอแนะนำให้ใช้ CTM5MFD ที่แยกด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อออกแบบวงจรตัวรับส่งสัญญาณอินเทอร์เฟซ
การแยกแสง
การแยกแสงเป็นโซลูชันที่ดีเยี่ยมสำหรับการจัดการปัญหาการรบกวนที่เกิดขึ้น เนื่องจากมีความเป็นฉนวนไฟฟ้าและการต้านทานการรบกวนที่ดีเยี่ยม เมื่อเลือกออปโตคัปเปลอร์ ต้องพิจารณาพารามิเตอร์สองตัว: ความล่าช้าในการแพร่กระจายและการปฏิเสธโหมดร่วม- (CMR) โดยมีเงื่อนไขว่าความล่าช้าในการแพร่กระจายเป็นไปตามข้อกำหนดอัตราบอดการสื่อสารข้อมูล ควรเลือกโมเดลที่มีการปฏิเสธโหมดร่วมสูง-ทุกครั้งที่เป็นไปได้ วิธีการวัดความสามารถในการปฏิเสธโหมด-ทั่วไปของออปโตคัปเปลอร์คืออัตราการเพิ่ม (ตก) ของแรงดันไฟฟ้าในโหมดร่วม-สูงสุด (CMH/CML) ที่เอาต์พุตสามารถทนได้ในขณะที่ยังคงสูง (ต่ำ) หลังจากใช้การแยกแสงแล้ว ต้องใช้การแยกแหล่งจ่ายไฟด้วย
สรุป
การแผ่รังสีจากแหล่งรบกวนต่างๆ นั้นซับซ้อน และการกำจัดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าโดยสิ้นเชิงนั้นเป็นไปไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ตามหลักการพื้นฐานของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถใช้มาตรการต่างๆ เพื่อลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุด และรักษาให้อยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ของระบบ ดังนั้นจึงรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ของระบบหรืออุปกรณ์ มาตรการปรับปรุงที่สรุปไว้ข้างต้นสามารถเพิ่มประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์ CAN FD ได้อย่างมีประสิทธิภาพ