CAN FD網(wǎng)絡(luò)下電磁兼容分析

 

在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，電磁兼容EMC性能對(duì)系統(tǒng)的影響非常大，關(guān)系到其能正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。世界上已經(jīng)開(kāi)始對(duì)電子產(chǎn)品的電磁兼容性做強(qiáng)制性限制，電磁兼容性能已經(jīng)成為產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

 

電磁兼容主要有兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是產(chǎn)品本身對(duì)外界產(chǎn)生不良的電磁干擾影響，稱(chēng)為電磁干擾發(fā)射EMI；另一個(gè)是對(duì)外界電磁信號(hào)的敏感程度稱(chēng)為電磁敏感度EMS。干擾源、相合途徑及敏感設(shè)備是電磁兼容的三要素，缺一不可。電磁兼容的詳細(xì)內(nèi)容如圖1所示。

 

圖1 電磁兼容

 

如圖1所示，電磁干擾信號(hào)的耦合途徑有傳導(dǎo)和輻射兩種。而根據(jù)耦合結(jié)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(hào)線(包括信號(hào)線、數(shù)據(jù)線和電源線等)和地線之間，而差模干擾存在于信號(hào)線之間。

 

提高電磁兼容性措施的有三個(gè)方面：提高電子設(shè)備本身的EMC性能、對(duì)輻射性耦合使用屏蔽技術(shù)加以抑制、對(duì)傳導(dǎo)耦合采取隔離加以抑制。

 

1、EMC設(shè)計(jì)

 

系統(tǒng)主站和從站電路板的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的EMC至關(guān)重要,而一個(gè)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(shí)，也抑制了電路板的電磁輻射。PCB板的EMC設(shè)計(jì)主要因素有以下幾點(diǎn)：

 

● 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(guān)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(shí)鐘源晶體一定按規(guī)定放置，否則會(huì)不起振。

 

● 合理布局地線，降低地線阻抗

 

地線電平是所有信號(hào)的參考電位。理想狀態(tài)下，電路板上所有的地線應(yīng)該等電位，但是由于地線阻抗的存在導(dǎo)致地線各點(diǎn)電位有差異，所以應(yīng)該盡量減小地線阻抗。最有效的辦法是做多層板，在中間專(zhuān)門(mén)設(shè)置一層地線面。

 

● 穩(wěn)定電源

 

電路中邏輯門(mén)輸出狀態(tài)切換時(shí)的瞬時(shí)效應(yīng)、電源線阻抗的存在等不理想狀態(tài)總會(huì)使電源線產(chǎn)生噪聲，這些噪聲不僅會(huì)造成電路工作的不正常，而且會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射。除了設(shè)置電源線網(wǎng)格來(lái)減小電源線的電感和阻抗外，還可以使用儲(chǔ)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(wèn)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(lái)度量，包括反射損耗和吸收損耗兩部分。保持屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性是電磁屏蔽效能的關(guān)鍵CAN總線電纜具有很強(qiáng)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?jī)蓚€(gè)相鄰回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向,相互抵消。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯，如圖2所示。為了減小系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中兩路CAN總線之間的串?dāng)_，應(yīng)該將兩組雙絞線分別屏蔽，電纜中不使用的導(dǎo)線接到信號(hào)地。

 

圖2 增加雙絞密度，屏蔽接地

 

3、傳導(dǎo)干擾和信號(hào)隔離

 

系統(tǒng)正常工作時(shí)，產(chǎn)生較大傳導(dǎo)性干擾的環(huán)節(jié)有：開(kāi)關(guān)電源、何服驅(qū)動(dòng)器、IO控制設(shè)備等。而危害更大的干擾則是瞬態(tài)干擾，它的特點(diǎn)是時(shí)間短、幅值大、功率小。

 

瞬態(tài)干擾的形式有：電機(jī)狀態(tài)改變時(shí)產(chǎn)生的電快速脈沖群干擾，雷電或大功率開(kāi)關(guān)在電纜上產(chǎn)生的浪涌，靜電放電感應(yīng)等。傳導(dǎo)干擾以共模形式居多，也有部分差模干擾。在系統(tǒng)中為保證CAN總線通訊的可靠性而使用的EMC措施有：信號(hào)保護(hù)器、瞬態(tài)抑制二極管TVS、隔離收發(fā)器、光電隔離等。

 

● 信號(hào)保護(hù)器 

 

外接專(zhuān)用的信號(hào)保護(hù)器消除干擾，如ZF-12Y2消耗干擾強(qiáng)度和CANFDbridge網(wǎng)橋做隔離。

  

圖3 信號(hào)保護(hù)器與CANFDBridge隔離

 

● 瞬態(tài)抑制二極管TVS

 

瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)在信號(hào)線和信號(hào)地之間，用來(lái)保護(hù)電纜受到雷擊或靜電放電時(shí)產(chǎn)生的浪涌高壓。當(dāng)TVS上的電壓超過(guò)一定的幅度時(shí)，器件迅速導(dǎo)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(nèi)。

 

● 隔離收發(fā)器

 

隔離是解決傳導(dǎo)干擾問(wèn)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(fā)器首先要考慮傳輸延時(shí)，其延時(shí)時(shí)間對(duì)總線的傳輸距離和質(zhì)量都會(huì)造成影響，建議使用磁隔離的CTM5MFD設(shè)計(jì)接口收發(fā)電路。

  

圖4 隔離收發(fā)器

 

● 光電隔離

 

光電隔離是解決傳導(dǎo)干擾問(wèn)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(shí)需要考慮兩個(gè)參數(shù)：傳輸延時(shí)和共模抑制CMR，在傳輸延時(shí)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)通訊波特率的情況下盡量選擇共模抑制能力高的型號(hào)。衡量光電耦合器共模抑制能力的方法為：輸出保持高(低)時(shí)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。

 

總結(jié)

 

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

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