Hvordan implementere kraft- og signalisolering for pålitelig drift av CAN-busser

Det er en akselererende bruk av kontrollere i bil- og industrielle systemer sammenkoblet med CAN-kommunikasjonsbusser (controller area network). For designere betyr dette at de må redegjøre for miljøer som er elektrisk støyende over et bredt spekter av frekvenser - fra høyfrekvent utstrålt elektromagnetisk interferens (EMI) til vanlig modus-interferens, og spenningspigger fra tilkobling og frakobling av forskjellige belastninger, for eksempel som elektriske motorer, reléer, og start- og stoppgeneratorer / generatorer. Mens CAN-busser er egnet for tøffe elektriske miljøer, er de utsatt for forskjellige feilmodus hvis de ikke er riktig beskyttet.

Denne artikkelen gjennomgår de potensielle årsakene til CAN-svikt og presenterer vanlige isolasjonsteknologier. Deretter introduserer løsninger fra leverandører somTexas Instruments ,RECOM Power ,NXP Semiconductors , ogAnaloge enheter som designere kan bruke for å beskytte CAN-enheter, sammen med veiledning om hvordan implementere løsningene effektivt, inkludert bruk av evalueringstavler. Løsningene som presenteres inkluderer diskrete implementeringer (dvs. basert på en individuell CAN-mottaker) og integrerte løsninger basert på en-chip og to-chip isolert CAN-bussdesign.

Kilder til feil og behovet for isolasjon

Feil i CAN-busser kan oppstå fra en rekke kilder: potensielle forskjeller på bakken mellom delsystemer; generelle støykilder som vanlig modus energi og utstrålt energi; og høyspenningsstøy og pigger på strømfordelingsbussen. To typer isolasjon er nødvendig for å sikre robust drift av CAN-buss-sammenkoblinger i bil- og industrielle systemer:

1. Isolasjon fra kraftbussen
2. Isolering av kommunikasjonsbussene som forbinder de forskjellige delsystemene

Løsninger som bruker separat isolasjon for strøm- og signalveiene, har ofte lavere kostnader og har høyere effektivitet sammenlignet med integrerte løsninger. Disse løsningene gjør det også mulig for designeren å uavhengig optimalisere isolasjonsnivåene til de to banene. Designeren står fritt til å velge hvilken type isolasjonsteknologi som passer best for den spesifikke applikasjonen. Valgene inkluderer magnetisk isolasjon, optisk isolasjon og kapasitiv isolasjon. En detaljert diskusjon av de forskjellige isolasjonsvalgene ligger utenfor omfanget av denne artikkelen, men for en god gjennomgang, se “Hvordan velge riktig galvanisk isolasjonsteknologi for IoT-sensorer ”.

Det skilles også mellom grunnleggende elektrisk isolasjon (ved bruk av materialer som ikke tillater strøm av elektrisk strøm) og forsterket isolasjon. Det nødvendige isolasjonsnivået bestemmes av de involverte spenningsnivåene, samt tilstedeværelsen eller fraværet av en forbindelse fra tilgjengelige deler til jord. Grunnleggende isolasjon gir ett nivå av beskyttelse mot elektrisk støt. Systemer med en spenning større enn 60 volt DC eller 30 volt AC anses som farlige og krever minst ett beskyttelsesnivå. Systemet vil ikke nødvendigvis feile trygt, men eventuelle feil vil være inneholdt i systemet. Forsterket eller dobbel isolasjon gir to beskyttelsesnivåer. Dette sikrer brukersikkerhet hvis en feil skulle oppstå. Et system som er koblet til nettspenning kreves for å ha forsterket isolasjon.

Design kompromisser blant isolasjonsløsninger

Isolasjonsalternativer i CAN-bussystemer inkluderer diskrete løsninger der kraft og signal er isolert separat, samt fullt integrerte kraft- og signalisolasjonsløsninger. Integrerte løsninger kan også inkludere relaterte beskyttelsesfunksjoner som robust elektrostatisk utladning (ESD) og radiofrekvens (RF) immunitet, slik at de kan brukes i bilindustrien og industrielle applikasjoner uten ekstra beskyttelsesinnretninger som transient spenningsdempende dioder.

Det er en ytelse avveining mellom størrelse og effektivitet mellom disse forskjellige løsningsalternativene. Når det gjelder løsningsstørrelse, er single-chip-løsninger de minste - vanligvis med et fotavtrykk på omtrent 330 millimeter i kvadrat (mm² ). To-chip-løsninger er større, vanligvis omtrent 875 mm² . Som et resultat av størrelsen på den eksterne DC-DC-omformeren og de nødvendige støttekomponentene, er diskrete løsninger betydelig større, typisk fra 1600 til 2000 mm² i størrelse.

Det er også effektivitetsutvekslinger, med større løsninger som er betydelig mer effektive. Men siden de involverte effektnivåene har en tendens til å være ganske lave - 3 til 5 volt ved opptil 15 milliamper (mA) - kan det hende at den termiske påvirkningen ikke er signifikant i et design. Effektiviteten varierer fra 50% til 60% for en-brikke og to-brikke-løsninger, med opptil 75% til 80% for diskrete isolasjonsløsninger ved bruk av en ekstern DC-DC-omformer.

Diskrete isolasjonsløsninger for CAN-mottakere

Isolerte CAN-mottakere er relativt greie enheter. Tenk for eksempel på Texas Instruments 'ISO1042DWR isolert CAN-mottaker med 70 volts bussfeilbeskyttelse og fleksibel datahastighet (figur 1). ISO1042DWR-enheten er tilgjengelig med et utvalg av grunnleggende eller forsterket isolasjon. De grunnleggende ISO1042-mottakerne er designet for industrielle applikasjoner.

Figur 1: ISO1042 isolert CAN-mottaker er tilgjengelig med valg av grunnleggende eller forsterket galvanisk isolasjon. (Bildekilde: Texas Instruments)

ISO1042 støtter datahastigheter på opptil 5 megabit per sekund (Mbits / s) i CAN-fleksibel datahastighetsmodus (FD), noe som gir mye raskere overføring av data sammenlignet med klassisk CAN. Denne enheten bruker et silisiumdioksid (SiO₂ ) isolasjonsbarriere med en motstandsspenning på 5000 volt rms. ISO1042 gjør det mulig for designeren å velge de optimale bussbeskyttelsesenhetene for de spesifikke behovene til individuelle applikasjoner. Enheten brukes sammen med isolerte strømforsyninger, og forhindrer støystrømmer på en databuss eller andre kretser i å komme inn i den lokale bakken og forstyrre eller skade følsomme kretser.

Disse isolerte CAN-mottakerne har flere sikkerhetsrelaterte sertifiseringer (dette er viktige sikkerhetsstandarder og sertifiseringer for alle enheter som tilbyr forsterkede og / eller grunnleggende isolasjonsalternativer):

• 7071-VPK VIOTM og 1500-VPK VIORM (forsterkede og grunnleggende opsjoner) i henhold til DIN VDE V 0884-11: 2017-01
• 5000-VRMS-isolasjon i ett minutt per UL 1577
• IEC 60950-1, IEC 60601-1 og EN 61010-1 sertifiseringer
• CQC, TUV og CSA sertifiseringer

Det er to muligheter for evalueringskort for designere som vurderer ISO1042. Texas Instruments tilbyrISO1042DWEVM evalueringsmodul som gjør det mulig for ingeniører å evaluere den høye ytelsen, forsterket isolerte CAN ISO1042 i en 16-pinners SOIC-pakke med bred kropp (pakkekode DW). EVM er en løsning med to brikker og har nok testpunkter og jumperalternativer for å evaluere enheten med minimale eksterne komponenter.

RECOM Power tilbyrR-REF03-CAN1 evalueringstavle for ISO1042. R-REF03-CAN1-kortet viser den ISO1042 isolerte CAN-mottakeren som leveres avR1SX-3.305 / H isolert DC-DC omformer. For å forsyne referansekortet kreves bare en 3,3 volt ekstern forsyning. Dette referansebrettet lar designere raskt utvikle og analysere isolerte systemer.

Texas Instruments ISO1042 er optimalisert for bruk i industrielle CAN-applikasjoner, menTJA1052i høyhastighets CAN-mottaker fra NXP er spesielt rettet mot elektriske kjøretøyer (EV) og hybrid-elektriske kjøretøyer (HEVer), der det er behov for galvaniske isolasjonsbarrierer mellom høyspenningen og lavspenningsdelene (figur 2).

Figur 2: TJA1052i fra NXP er optimalisert for bruk i elbiler og hybridbiler. (Bildekilde: NXP Semiconductors)

TJA1052i er designet for bruk i litium-ion (Li-ion) batteristyring, regenerativ bremsing og 48 volt til 12 volt nivåskifting. Enheten kan også brukes til å isolere høyspenningspumper og motorer i belteliminasjonsprosjekter. Den AEC-Q100-kvalifiserte TJA1052i implementerer CAN-fysiske laget (PHY) som definert i ISO 11898-2: 2016, og SAE J2284-1 til SAE J2284-5. Tre isolasjonsnivåer er tilgjengelige: 1 kilovolt (kV), 2,5 kV og 5 kV. I likhet med ISO1042 krever TJA1052i en ekstern isolert strømkilde.

Integrerte løsninger for kraft- og signalisolering

Mens diskrete DC-DC-konverteringsimplementeringer generelt er mer effektive sammenlignet med deres integrerte kolleger, har integrerte løsninger flere fordeler:

• Reduksjon av styreareal
• Enklere sertifisering
• Enkelhet i design

DeADM3055E / ADM3057E fra Analog Devices er 5 kV rms og 3 kV rms isolerte CAN-mottakere med integrerte isolerte DC-DC-omformere (figur 3).

Figur 3: De ADM3055E / ADM3057E isolerte CAN-mottakerne integrerer både kraft- og signalisolasjon. (Bildekilde: Analog Devices)

Enhetene får strøm fra en enkelt 5 volt forsyning og gir en helt isolert løsning for CAN og CAN FD. Utstrålt utslipp fra høyfrekvenskoblingen av DC-DC-omformerne holdes under EN 55022 klasse B-grenser ved kontinuerlige justeringer av svitsjefrekvensen. Sikkerhets- og forskriftsgodkjenninger (i påvente av dette tidspunktet) for 5 kV rms isolasjonsspenning, 10 kV overspenningstest og 8,3 mm kryp og klaring, sikrer at ADM3055E oppfyller applikasjonsforsterkede isolasjonskrav. ADM3057E har en isolasjonsspenning på 3 kV rms og 7,8 mm kryp i en 20-leder, SOIC med bred kropp.

For å støtte designutviklingsarbeid ved bruk av ADM3055E / ADM3057E, tilbyr Analog DevicesEVAL-ADM3055EEBZ evalueringstavle. ADM3055E og ADM3057E integrerer OOK-signalisolasjonskanaler for logisk side on-off keying, og en isoPower DC-DC-omformer for analoge enheter for å gi regulert, isolert effekt som ligger godt under EN55022 klasse B-grenser når du sender på en to-lags trykt kretskort med overflatemonterte ferrittperler.

Texas Instruments tilbyr en annen tilnærming til kraft- og signalisolering i CAN-kommunikasjon basert på en to-brikke-løsning ved bruk avISOW7841 , en tokanals isolert data- og kraftenhet sammen med CAN-mottakerenTCAN1042H (Figur 4).

Figur 4: Denne to-brikke-løsningen gir strøm- og signalisolering i en brikke (venstre) og CAN-kommunikasjon i den andre brikken (høyre). (Bildekilde: Texas Instruments)

Integrasjonen av transformatoren inne i ISOW7841-brikken sparer plass ikke bare i dimensjonene x og y, men også i dimensjonen z (høyde). For å evaluere ISOW7841, harISOW7841EVM evalueringsmodul er tilgjengelig. Når du arbeider med de to sjetongene, kan den totale bordplassen reduseres ved å plassere ISOW7841-enheten på den ene siden av et brett og CAN-enheten på den andre.

Denne løsningen med to brikker resulterer i design som ikke krever ekstra komponenter for å generere den isolerte effekten, noe som gjør isolasjonsløsningen mindre enn en fjerdedel av størrelsen på løsninger som bruker en diskret transformator for å generere den nødvendige isolerte effekten. En relatert referansedesign tar en enkelt strømforsyningsinngang mellom 3 og 5,5 volt, og de digitale signalene henvises til inngangsforsyningsnivået på den ene siden av et kort. ISOW7841 genererer deretter en isolert strømforsyning ved hjelp av en integrert DC-DC-omformer, som brukes til å drive CAN-mottakeren på den andre siden av kortet. Signalene på kortsiden av kortet er isolert og koblet til CAN-mottakeren, som konverterer de digitale endene med en ende til det differensielle CAN-formatet.

Konklusjon

Kraft og signalisolering er nødvendig for å beskytte CAN-busser mot potensielt feil som skyldes grunnpotensialforskjeller mellom delsystemer, generelle støykilder som vanlig modusenergi og utstrålt energi, og høyspenningsstøy og pigger på strømfordelingsbussen.

Som vist inkluderer isolasjonsalternativer for CAN-bussystemer diskrete løsninger der strøm og signal er isolert separat, samt fullt integrerte kraft- og signalisolasjonsløsninger, som også kan omfatte relaterte beskyttelsesfunksjoner som kan tillate bruk i bil- og industrielle applikasjoner. uten ekstra beskyttelsesinnretninger, for eksempel suppressordioder.

Anbefalt lesing

1:Hvordan velge riktig galvanisk isolasjonsteknologi for IoT-sensorer

2:Bruk de siste CAN-bussforbedringene for sikker pålitelig høyhastighets bilkommunikasjon