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CANFD電磁兼容性能分析及改善方案
發布時間:2019-09-19 15:21:27 點擊次數:198

摘要:CAN總線技術應用領域越來越廣泛,但是由于在工業設備、工業自動化等領域,電磁干擾較為嚴重,保證CAN總線的正常通信尤為重要。本文將介紹搭配高速CAN FD收發器的總線網絡電磁干擾的原因分析,及提出的具體改善方案。

一、CAN FD網絡下電磁兼容分析

在電子產品的設計中,電磁兼容EMC性能對系統的影響非常大,關系到其能正常穩定運轉。世界上已經開始對電子產品的電磁兼容性做強制性限制,電磁兼容性能已經成為產品性能的一個重要指標。

電磁兼容主要有兩方面的內容,一個是產品本身對外界產生不良的電磁干擾影響,稱為電磁干擾發射EMI;另一個是對外界電磁信號的敏感程度稱為電磁敏感度EMS。干擾源、相合途徑及敏感設備是電磁兼容的三要素,缺一不可。電磁兼容的詳細內容如圖1所示。


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圖1 電磁兼容


如圖1所示,電磁干擾信號的耦合途徑有傳導和輻射兩種。而根據耦合結果不同,干擾又分為共模干擾和差模干擾,共模干擾存在于所有的信號線(包括信號線、數據線和電源線等)和地線之間,而差模干擾存在于信號線之間。

提高電磁兼容性措施的有三個方面:提高電子設備本身的EMC性能、對輻射性耦合使用屏蔽技術加以抑制、對傳導耦合采取隔離加以抑制。


1.EMC設計

系統主站和從站電路板的設計對系統的EMC至關重要,而一個電路板的電磁輻射能力和接收能力往往是一致的。因此,在提高電路板抗干擾能力的同時,也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設計主要因素有以下幾點:

(1)元器件選擇和布局

選擇EMC性能好的元器件,并盡量選擇表面貼裝的封裝形式。器件合理布局,把相互有關的器件盡量放得靠近些,使各部件之間的引線盡量短。特別是微控制器和CAN控制器的時鐘源晶體一定按規定放置,否則會不起振。

(2)合理布局地線,降低地線阻抗

地線電平是所有信號的參考電位。理想狀態下,電路板上所有的地線應該等電位,但是由于地線阻抗的存在導致地線各點電位有差異,所以應該盡量減小地線阻抗。最有效的辦法是做多層板,在中間專門設置一層地線面。

(3)穩定電源

電路中邏輯門輸出狀態切換時的瞬時效應、電源線阻抗的存在等不理想狀態總會使電源線產生噪聲,這些噪聲不僅會造成電路工作的不正常,而且會產生較強的電磁輻射。除了設置電源線網格來減小電源線的電感和阻抗外,還可以使用儲能電容。


2.電磁輻射和電磁屏蔽

電磁屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一,電磁屏蔽不影響電路的正常工作,不需要修改電路。屏蔽體的有效性用屏蔽效能來度量,包括反射損耗和吸收損耗兩部分。保持屏蔽體的導電連續性是電磁屏蔽效能的關鍵CAN總線電纜具有很強的干擾輻射和干擾接收能力。

雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積,而且雙絞線的每兩個相鄰回路上感應出的電流具有相反的方向,相互抵消。雙絞線的絞節越密,則效果越明顯,如圖2所示。為了減小系統網絡中兩路CAN總線之間的串擾,應該將兩組雙絞線分別屏蔽,電纜中不使用的導線接到信號地。


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圖2 增加雙絞密度,屏蔽接地


3.傳導干擾和信號隔離

系統正常工作時,產生較大傳導性干擾的環節有:開關電源、何服驅動器、IO控制設備等。而危害更大的干擾則是瞬態干擾,它的特點是時間短、幅值大、功率小。

瞬態干擾的形式有:電機狀態改變時產生的電快速脈沖群干擾,雷電或大功率開關在電纜上產生的浪涌,靜電放電感應等。傳導干擾以共模形式居多,也有部分差模干擾。在系統中為保證CAN總線通訊的可靠性而使用的EMC措施有:信號保護器、瞬態抑制二極管TVS、隔離收發器、光電隔離等。

(1)信號保護器 

外接專用的信號保護器消除干擾,如ZF-12Y2消耗干擾強度和CANFDbridge網橋做隔離。


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圖3 信號保護器與CANFDBridge隔離


(2)瞬態抑制二極管TVS

瞬態抑制二極管并聯在信號線和信號地之間,用來保護電纜受到雷擊或靜電放電時產生的浪涌高壓。當TVS上的電壓超過一定的幅度時,器件迅速導通,從而將浪涌能量泄放掉,并將電壓的幅度限制在一定的范圍內。

(3)隔離收發器

隔離是解決傳導干擾問題的理想方法,它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇隔離收發器首先要考慮傳輸延時,其延時時間對總線的傳輸距離和質量都會造成影響,建議使用磁隔離的CTM5MFD設計接口收發電路。


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圖4  隔離收發器

(4)光電隔離

光電隔離是解決傳導干擾問題的理想方法,它具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。選擇光耦合器件時需要考慮兩個參數:傳輸延時和共模抑制CMR,在傳輸延時滿足數據通訊波特率的情況下盡量選擇共模抑制能力高的型號。衡量光電耦合器共模抑制能力的方法為:輸出保持高(低)時可承受的最大共模電壓上升(下降)率CMH(CML)。使用光電隔離后,也必須使用電源隔離。

二、總結

各種干擾設備的輻射很復雜,要真正完全消除電磁干擾是不可能完成的任務。但是可以根據電磁兼容性的基本原理采取措施來最大限度地減小電磁干擾,并使之控制在系統可容納的范圍之內,從而保證系統或設備可靠運行。以上的改善方案,可以很好的提高CAN FD設備的電磁兼容性能。


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