Sådan implementeres strøm- og signalisolering for pålidelig drift af CAN-busser

Der er en accelererende brug af controllere i bil- og industrielle systemer, der er sammenkoblet med CAN-kommunikationsbusser (controller area network). For designere betyder det, at de skal tage højde for miljøer, der er elektrisk støjende over et bredt spektrum af frekvenser - fra højfrekvent udstrålet elektromagnetisk interferens (EMI) til almindelig interferens udført interferens og spændingsspidser fra tilslutning og frakobling af forskellige belastninger såsom som elektriske motorer, relæer og start- og stopgeneratorer/generatorer. Mens CAN-busser er velegnede til barske elektriske miljøer, er de tilbøjelige til forskellige fejltilstande, hvis de ikke er ordentligt beskyttet.

Denne artikel gennemgår de potentielle årsager til CAN-svigt og præsenterer almindelige isolationsteknologier. Derefter introducerer det løsninger fra leverandører som f.eksTexas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors og Analog Devices at designere kan bruge til at beskytte CAN-enheder sammen med vejledning i, hvordan løsninger implementeres effektivt, herunder brug af evalueringskort. De præsenterede løsninger inkluderer diskrete implementeringer (dvs. baseret på en individuel CAN-transceiver) og integrerede løsninger baseret på en-chip og to-chip isoleret CAN-bus-design.

Kilder til fiasko og behovet for isolation

Fejl i CAN-busser kan opstå fra en række forskellige kilder: jordpotentialeforskelle mellem delsystemer; generelle støjkilder såsom common-mode energi og udstrålet energi og højspændingsstøj og spidser på strømfordelingsbussen. Der kræves to typer isolering for at sikre robust drift af CAN-busforbindelser i bil- og industrielle systemer:

1. Isolering fra strømbussen
2. Isolering af kommunikationsbusser, der forbinder de forskellige delsystemer

Løsninger, der anvender separat isolering til effekt- og signalveje, har ofte lavere omkostninger og har højere effektivitet sammenlignet med integrerede løsninger. Disse løsninger gør det også muligt for designeren at uafhængigt optimere isolationsniveauerne for de to stier. Designeren kan frit vælge den type isolationsteknologi, der passer bedst til den specifikke applikation. Valgmuligheder inkluderer magnetisk isolering, optisk isolering og kapacitiv isolation. En detaljeret diskussion af de forskellige isoleringsvalg ligger uden for denne artikels anvendelsesområde, men for en god gennemgang, se “Sådan vælges den rigtige galvaniske isoleringsteknologi til IoT-sensorer”.

Der skelnes også mellem grundlæggende elektrisk isolering (ved hjælp af materialer, der ikke tillader strøm af elektrisk strøm) og forstærket isolering. Det krævede isolationsniveau bestemmes af de involverede spændingsniveauer samt tilstedeværelsen eller fraværet af en forbindelse fra tilgængelige dele til jordbunden. Grundlæggende isolering giver et niveau af beskyttelse mod elektrisk stød. Systemer med en spænding på mere end 60 volt jævnstrøm eller 30 volt vekselstrøm betragtes som farlige og kræver mindst et beskyttelsesniveau. Systemet mislykkes ikke nødvendigvis sikkert, men enhver fejl vil være indeholdt i systemet. Forstærket eller dobbelt isolering giver to niveauer af beskyttelse. Dette sikrer brugersikkerhed, hvis en fejl skulle opstå. Et system tilsluttet til netspænding kræves for at have forstærket isolering.

Design afvejninger blandt isolationsløsninger

Isolationsmuligheder i CAN-bussystemer inkluderer diskrete løsninger, hvor effekt og signal er isoleret separat, samt fuldt integrerede strøm- og signalisoleringsløsninger. Integrerede løsninger kan også omfatte relaterede beskyttelsesfunktioner såsom høj elektrostatisk afladning (ESD) robusthed og radiofrekvens (RF) immunitet, hvilket muliggør deres anvendelse i bilindustrien og industrielle applikationer uden yderligere beskyttelsesindretninger såsom transient spændingsdæmperdioder.

Der er en performance-kompromis mellem størrelse og effektivitet mellem disse forskellige løsningsmuligheder. Med hensyn til løsningsstørrelse er single-chip-løsninger de mindste - typisk med et fodaftryk på ca. 330 millimeter i kvadrat (mm²). To-chip-løsninger er større, typisk ca. 875 mm². Som et resultat af størrelsen på den eksterne DC-DC-konverter og de nødvendige supportkomponenter er diskrete løsninger betydeligt større, typisk ca. 1.600 til 2.000 mm² i størrelse.

Der er også effektivitetsafvejninger, hvor de større løsninger har en tendens til at være betydeligt mere effektive. Da de involverede effektniveauer har en tendens til at være ret lave - 3 til 5 volt ved op til 15 millimeter (mA) - er den termiske påvirkning muligvis ikke signifikant i et design. Effektiviteter varierer fra 50% til 60% for en-chip og to-chip-løsninger, med op til 75% til 80% for diskrete isoleringsløsninger ved hjælp af en ekstern DC-DC-konverter.

Diskrete isolationsløsninger til CAN-transceivere

Isolerede CAN-transceivere er relativt enkle enheder. Overvej for eksempel Texas Instruments' ISO1042DWR isoleret CAN-transceivere med 70 volt busfejlbeskyttelse og fleksibel datahastighed (figur 1). ISO1042DWR-enheden fås med et valg af grundlæggende eller forstærket isolering. De grundlæggende ISO1042 transceivere er designet til industrielle applikationer.

Figur 1: Den ISO1042 isolerede CAN-transceiver fås med valg af grundlæggende eller forstærket galvanisk isolering. (Billedkilde: Texas Instruments)

ISO1042 understøtter datahastigheder op til 5 megabit per sekund (Mbits/s) i CAN-fleksibel datahastighed (FD) -tilstand, hvilket giver meget hurtigere overførsel af data sammenlignet med klassisk CAN. Denne enhed bruger en siliciumdioxid (SiO₂) isolationsbarriere med en modstandsspænding på 5000 volt rms. ISO1042 gør det muligt for designeren at vælge de optimale busbeskyttelsesenheder til de specifikke behov i individuelle applikationer. Anvendt sammen med isolerede strømforsyninger forhindrer enheden støjstrømme på en databus eller andre kredsløb i at komme ind på den lokale jord og forstyrre eller beskadige følsomme kredsløb.

Disse isolerede CAN-transceivere har flere sikkerhedsrelaterede certificeringer (disse er vigtige sikkerhedsstandarder og certificeringer for enhver enhed, der tilbyder forstærkede og/eller grundlæggende isoleringsmuligheder):

• 7071-VPK VIOTM og 1500-VPK VIORM (forstærket og grundlæggende optioner) i henhold til DIN VDE V 0884-11: 2017-01
• 5000-VRMS-isolering i et minut pr. UL 1577
• IEC 60950-1, IEC 60601-1 og EN 61010-1 certificeringer
• CQC, TUV og CSA certificeringer

Der er to muligheder for evalueringskort for designere, der overvejer ISO1042. Texas Instruments tilbyderISO1042DWEVM evalueringsmodul, der gør det muligt for ingeniører at evaluere den højtydende, forstærkede isolerede CAN ISO1042 i en 16-polet SOIC-pakke med bred krop (pakke kode DW). EVM er en to-chip-løsning og har nok testpunkter og jumperindstillinger til at evaluere enheden med minimale eksterne komponenter.

RECOM Power tilbyder R-REF03-CAN1 evalueringskort til ISO1042. R-REF03-CAN1-kortet demonstrerer den ISO1042 isolerede CAN-transceivere leveret afR1SX-3.305/H isoleret DC-DC konverter. For at forsyne referencekortet kræves kun en 3,3 volt ekstern forsyning. Dette referencekort giver designere mulighed for hurtigt at udvikle og analysere isolerede systemer.

Mens Texas Instruments ISO1042 er optimeret til brug i industrielle CAN-applikationer, erTJA1052i højhastigheds CAN-transceivere fra NXP er specifikt målrettet mod elektriske køretøjer (EV'er) og hybrid-elektriske køretøjer (HEV'er), hvor der er behov for galvaniske isolationsbarrierer mellem høj- og lavspændingsdelene (figur 2).

Figur 2: TJA1052i fra NXP er optimeret til brug i elbiler og hybridbiler. (Billedkilde: NXP Semiconductors)

TJA1052i er designet til brug i lithium-ion (Li-ion) batteristyring, regenerativ opbremsning og 48 volt til 12 volt niveauskift. Enheden kan også bruges til at isolere højspændings on-demand pumper og motorer i bælte eliminering projekter. Den AEC-Q100-kvalificerede TJA1052i implementerer det fysiske CAN-lag (PHY) som defineret i ISO 11898-2: 2016 og SAE J2284-1 til SAE J2284-5. Tre isolationsniveauer er tilgængelige: 1 kilovolt (kV), 2,5 kV og 5 kV. Ligesom ISO1042 kræver TJA1052i en ekstern isoleret strømkilde.

Integrerede strøm- og signalisoleringsløsninger

Mens diskrete DC-DC-konverterimplementeringer generelt er mere effektive sammenlignet med deres integrerede kolleger, tilbyder integrerede løsninger flere fordele:

• Reduktion af kortareal
• Lettere certificering
• Enkelhed i design

DetADM3055E/ADM3057E fra Analog Devices er 5 kV rms og 3 kV rms isolerede CAN-transceivere med integrerede isolerede DC-DC-konvertere (figur 3).

Figur 3: De ADM3055E/ADM3057E isolerede CAN-transceivere integrerer både strøm- og signalisolering. (Billedkilde: Analog Devices)

Enhederne drives af en enkelt 5 volt forsyning og giver en fuldt isoleret løsning til CAN og CAN FD. Udstrålede emissioner fra højfrekvent skift af DC-DC-konvertere holdes under EN 55022 klasse B-grænser ved kontinuerlige justeringer af switchfrekvensen. Sikkerheds- og lovgivningsmæssige godkendelser (afventes på tidspunktet for denne skrivning) for 5 kV rms isolationsspænding, 10 kV overspændingstest og 8,3 mm krybning og frigørelse sikrer, at ADM3055E opfylder applikationsforstærkede isolationskrav. ADM3057E har en isolationsspænding på 3 kV rms og 7,8 mm krybning i en 20-leder, SOIC med bred krop.

For at støtte designudviklingsindsats ved hjælp af ADM3055E/ADM3057E tilbyder Analog DevicesEVAL-ADM3055EEBZ evalueringskort. ADM3055E og ADM3057E integrerer OOK-signalisoleringskanaler med logisk side on-off keying og en Analog Devices isoPower DC-DC-konverter til at give reguleret, isoleret effekt, der ligger et godt stykke under EN55022 klasse B-grænser, når der sendes på en to-lags trykt printkort (pc) med overflademonterede ferritperler.

Texas Instruments tilbyder en anden tilgang til effekt og signalisolering i CAN-kommunikation baseret på en to-chip-løsning ved hjælp afISOW7841, en tokanals isoleret data- og strømindretning sammen med CAN-transceiverenTCAN1042H (Figur 4).

Figur 4: Denne to-chip-løsning giver strøm- og signalisolering i en chip (venstre) og CAN-kommunikation i den anden chip (højre). (Billedkilde: Texas Instruments)

Integrationen af transformeren inde i ISOW7841-chip sparer ikke kun plads i x- og y-dimensionerne, men også i z (højde) dimensionen. For at evaluere ISOW7841 erISOW7841EVM evalueringsmodul er tilgængeligt. Når du arbejder med de to chips, kan det samlede kortplads reduceres ved at placere ISOW7841-enheden på den ene side af et kort og CAN-enheden på den anden.

Denne to-chip-løsning resulterer i design, der ikke kræver yderligere komponenter for at generere den isolerede effekt, hvilket gør isoleringsløsningen mindre end en fjerdedel af størrelsen på løsninger, der bruger en diskret transformer til at generere den krævede isolerede effekt. Et relateret referencedesign tager en enkelt strømforsyningsindgang mellem 3 og 5,5 volt, og de digitale signaler henvises til indgangsforsyningsniveauet på den ene side af et kort. ISOW7841 genererer derefter en isoleret strømforsyning ved hjælp af en integreret DC-DC-konverter, som bruges til at drive CAN-transceiveren på den anden side af kortet. Signalerne på kortsiden er isoleret og forbundet til CAN-transceiveren, som konverterer de digitale digitale signaler med en ende til det differentielle CAN-format.

Konklusion

Strøm og signalisolering er nødvendigt for at beskytte CAN-busser mod potentielt svigt som følge af jordpotentialeforskelle mellem delsystemer, generelle støjkilder såsom almindelig energi og udstrålet energi og højspændingsstøj og spidser på strømfordelingsbussen.

Som vist inkluderer isolationsmuligheder for CAN-bussystemer diskrete løsninger, hvor effekt og signal er isoleret separat, samt fuldt integrerede strøm- og signalisoleringsløsninger, som også kan omfatte relaterede beskyttelsesfunktioner, der muligvis muliggør deres anvendelse i bilindustrien og industrielle applikationer uden yderligere beskyttelsesanordninger, såsom suppressordioder.

Anbefalet læsning

1:Sådan vælges den rigtige galvaniske isoleringsteknologi til IoT-sensorer

2:Anvend de nyeste CAN-busforbedringer til sikker pålidelig højhastighedskøretøjskommunikation