Công nghệ CAN bus ngày càng trở nên phổ biến. Tuy nhiên, do nhiễu điện từ nghiêm trọng trong các lĩnh vực như thiết bị công nghiệp và tự động hóa công nghiệp, việc đảm bảo liên lạc bus CAN bình thường là đặc biệt quan trọng. Bài viết này sẽ phân tích nguyên nhân gây nhiễu điện từ trong mạng xe buýt sử dụng bộ thu phát CAN FD tốc độ cao-cũng như các giải pháp cụ thể để cải thiện.
Phân tích tương thích điện từ trong mạng CAN FD
Trong thiết kế các sản phẩm điện tử, hiệu suất tương thích điện từ (EMC) có tác động đáng kể đến hệ thống và rất quan trọng đối với hoạt động bình thường và ổn định của hệ thống. Các hạn chế bắt buộc về khả năng tương thích điện từ của các sản phẩm điện tử đã được thực hiện trên toàn thế giới và hiệu suất EMC đã trở thành một chỉ số chính về chất lượng sản phẩm.
Khả năng tương thích điện từ chủ yếu bao gồm hai khía cạnh: một là nhiễu điện từ bất lợi do chính sản phẩm tạo ra, được gọi là phát xạ nhiễu điện từ (EMI); yếu tố còn lại là độ nhạy của sản phẩm với các tín hiệu điện từ bên ngoài, được gọi là độ nhạy điện từ (EMS). Nguồn nhiễu, đường ghép và thiết bị nhạy cảm là ba yếu tố thiết yếu của khả năng tương thích điện từ và không thể bỏ qua yếu tố nào.
Tín hiệu nhiễu điện từ có thể được ghép theo hai con đường: dẫn truyền và bức xạ. Tùy thuộc vào cơ chế ghép nối, nhiễu được phân thành nhiễu-chế độ chung và nhiễu chế độ{2}}khác biệt. Nhiễu ở chế độ{4}}chung xảy ra giữa tất cả các đường tín hiệu (bao gồm đường tín hiệu, đường dữ liệu và đường dây điện) và mặt đất, trong khi nhiễu ở chế độ vi sai xảy ra giữa các đường tín hiệu.
Các biện pháp cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC) được chia thành ba loại: nâng cao hiệu suất EMC của chính thiết bị điện tử, sử dụng công nghệ che chắn để triệt tiêu sự ghép nối bức xạ và sử dụng cách ly để triệt tiêu sự ghép nối dẫn điện.
1. Thiết kế EMC
Thiết kế của bảng mạch chính và bảng mạch phụ rất quan trọng đối với EMC của hệ thống và khả năng phát và nhận bức xạ điện từ của bảng mạch thường nhất quán. Do đó, việc cải thiện khả năng chống nhiễu của bảng mạch cũng sẽ ngăn chặn sự phát xạ điện từ của nó. Các yếu tố chính trong thiết kế PCB EMC bao gồm:
Lựa chọn và bố trí thành phần
Chọn các thành phần có hiệu suất EMC tốt và ưu tiên đóng gói-gắn trên bề mặt bất cứ khi nào có thể. Sắp xếp các bộ phận một cách hợp lý, đặt các bộ phận liên quan càng gần nhau càng tốt để giảm thiểu độ dài dây dẫn giữa các bộ phận. Đặc biệt, các bộ dao động tinh thể đóng vai trò là nguồn xung nhịp cho vi điều khiển và bộ điều khiển CAN phải được đặt theo đúng thông số kỹ thuật; nếu không chúng sẽ không dao động được.
Bố trí mặt đất thích hợp để giảm trở kháng mặt đất
Điện thế mặt đất đóng vai trò là điện thế tham chiếu cho tất cả các tín hiệu. Lý tưởng nhất là tất cả các điểm nối đất trên PCB phải có cùng điện thế; tuy nhiên, do trở kháng mặt đất, tồn tại sự khác biệt tiềm năng giữa các điểm mặt đất. Vì vậy, trở kháng mặt đất nên được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng bảng nhiều lớp có mặt phẳng nền chuyên dụng ở giữa.
Ổn định nguồn điện
Các điều kiện lý tưởng, chẳng hạn như các hiệu ứng nhất thời trong quá trình chuyển đổi trạng thái đầu ra cổng logic và sự hiện diện của trở kháng đường dây điện, chắc chắn sẽ gây ra nhiễu vào đường dây cấp điện. Tiếng ồn này không chỉ khiến mạch hoạt động bất thường mà còn tạo ra bức xạ điện từ đáng kể. Ngoài việc sử dụng lưới đường dây điện để giảm độ tự cảm và trở kháng của đường dây điện, các tụ điện lưu trữ cũng có thể được sử dụng.
2. Bức xạ điện từ và che chắn điện từ
Che chắn điện từ là một trong những phương pháp chính để giải quyết các vấn đề tương thích điện từ. Nó không can thiệp vào hoạt động bình thường của mạch và không yêu cầu sửa đổi mạch. Hiệu quả của tấm chắn được đo bằng hiệu suất che chắn của nó, bao gồm hai thành phần: tổn thất phản xạ và tổn thất hấp thụ. Việc duy trì tính liên tục về điện của tấm chắn là rất quan trọng đối với hiệu quả của nó. Cáp bus CAN rất dễ bị ảnh hưởng bởi cả nhiễu bức xạ và thu.
Diện tích vòng lặp giữa hai dây trong cáp xoắn đôi-rất nhỏ và dòng điện cảm ứng trong hai vòng lặp liền kề bất kỳ sẽ ngược chiều nhau, do đó triệt tiêu lẫn nhau. Cáp xoắn đôi-được xoắn càng chặt thì hiệu ứng này càng rõ rệt. Để giảm nhiễu xuyên âm giữa hai bus CAN trong hệ thống mạng, mỗi cặp cáp xoắn-phải được bọc riêng biệt và mọi dây dẫn không sử dụng trong cáp phải được kết nối với đất tín hiệu.
Tăng mật độ xoắn; nối đất lá chắn
3. Nhiễu dẫn truyền và cách ly tín hiệu
Trong quá trình vận hành hệ thống bình thường, các bộ phận tạo ra nhiễu dẫn truyền đáng kể bao gồm bộ nguồn chuyển mạch, bộ điều khiển servo và thiết bị điều khiển I/O. Tuy nhiên, loại nhiễu có hại nhất là nhiễu nhất thời, được đặc trưng bởi thời gian ngắn, biên độ cao và công suất thấp.
Các dạng nhiễu nhất thời bao gồm: các nhóm xung điện nhanh được tạo ra khi trạng thái của động cơ thay đổi; xung điện do sét hoặc-chuyển đổi nguồn điện cao trên cáp; và cảm ứng phóng tĩnh điện (ESD). Nhiễu dẫn truyền chủ yếu là chế độ-phổ biến, mặc dù một số nhiễu ở chế độ-khác biệt cũng xảy ra. Các biện pháp EMC được sử dụng trong hệ thống để đảm bảo độ tin cậy của giao tiếp CAN bus bao gồm: bộ bảo vệ tín hiệu, điốt triệt tiêu điện áp nhất thời (TVS), bộ thu phát cách ly và cách ly quang.
Bộ bảo vệ tín hiệu
Bộ bảo vệ tín hiệu chuyên dụng bên ngoài giúp loại bỏ nhiễu; ví dụ: ZF-12Y2 hấp thụ nhiễu và CANFDbridge hoạt động như một bộ cách ly.
Bộ bảo vệ tín hiệu và cách ly CANFDBridge
Bộ ức chế điện áp nhất thời (TVS)
Bộ triệt điện áp nhất thời được kết nối song song giữa đường tín hiệu và mặt đất tín hiệu để bảo vệ cáp khỏi-sự tăng điện áp cao do sét đánh hoặc phóng tĩnh điện. Khi điện áp trên TVS vượt quá một ngưỡng nhất định, thiết bị sẽ nhanh chóng dẫn điện, từ đó tiêu tán năng lượng đột biến và giới hạn biên độ điện áp trong một phạm vi cụ thể.
Bộ thu phát cách ly
Cách ly là một giải pháp lý tưởng để giải quyết nhiễu dẫn truyền, mang lại khả năng cách điện và khả năng chống nhiễu tuyệt vời. Khi chọn một bộ thu phát bị cô lập, độ trễ truyền phải được xem xét hàng đầu vì nó ảnh hưởng đến cả khoảng cách truyền và chất lượng của xe buýt. Nên sử dụng CTM5MFD cách ly từ tính để thiết kế mạch thu phát giao diện.
Cách ly quang học
Cách ly quang học là giải pháp lý tưởng để giải quyết các vấn đề nhiễu dẫn truyền vì nó mang lại khả năng cách điện và khả năng chống nhiễu tuyệt vời. Khi chọn bộ ghép quang, phải xem xét hai tham số: độ trễ truyền và loại bỏ chế độ{1}}chung (CMR). Với điều kiện là độ trễ truyền đáp ứng các yêu cầu về tốc độ truyền truyền dữ liệu, nên chọn các mô hình có khả năng loại bỏ chế độ-chung phổ biến cao bất cứ khi nào có thể. Phương pháp đo khả năng loại bỏ chế độ-chung của bộ ghép quang là tốc độ tăng (giảm) điện áp chế độ-chung (CMH/CML) chung tối đa mà đầu ra có thể chịu được trong khi vẫn duy trì ở mức cao (thấp). Sau khi thực hiện cách ly quang học, việc cách ly nguồn điện cũng phải được áp dụng.
Bản tóm tắt
Bức xạ từ nhiều nguồn gây nhiễu khác nhau rất phức tạp và việc loại bỏ hoàn toàn nhiễu điện từ là một nhiệm vụ bất khả thi. Tuy nhiên, dựa trên các nguyên tắc cơ bản về khả năng tương thích điện từ, có thể thực hiện các biện pháp để giảm thiểu nhiễu điện từ và giữ nhiễu trong giới hạn cho phép của hệ thống, từ đó đảm bảo hệ thống hoặc thiết bị hoạt động đáng tin cậy. Các biện pháp cải tiến được nêu ở trên có thể nâng cao hiệu quả hiệu suất tương thích điện từ của các thiết bị CAN FD.