Hoe de voeding- en signaalisolatie te implementeren voor een betrouwbare werking van CAN-bussen

Er is een versnellend gebruik van controllers in automotive- en industriële systemen die verbonden zijn met de communicatiebussen van het Controller Area Network (CAN). Voor ontwerpers betekent dit dat zij rekening moeten houden met omgevingen die over een breed scala aan frequenties elektrisch rumoerig zijn - van hoogfrequent uitgestraalde elektromagnetische interferentie (EMI) tot algemeen geleide interferentie en spanningspieken van het aansluiten en loskoppelen van verschillende belastingen zoals elektromotors, relais en het starten en stoppen van dynamo's/generators. Hoewel CAN-bussen geschikt zijn voor ruwe elektrische omgevingen, zijn ze gevoelig voor verschillende storingsmodi als ze niet goed beschermd zijn.

Dit artikel geeft een overzicht van de mogelijke oorzaken van het falen van CAN en presenteert gemeenschappelijke isolatietechnologieën. Het introduceert vervolgens oplossingen van leveranciers zoals Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors, en Analog Devices die ontwerpers kunnen gebruiken om CAN-apparaten te beschermen, samen met begeleiding over hoe de oplossingen effectief te implementeren, inclusief het gebruik van evaluatieborden. De gepresenteerde oplossingen omvatten discrete implementaties (d.w.z. gebaseerd op een individuele CAN-zendontvanger) en geïntegreerde oplossingen op basis van geïsoleerde CAN-bus-ontwerpen met één of twee chips.

Bronnen van mislukking en de noodzaak van isolatie

Storingen in CAN-bussen kunnen het gevolg zijn van verschillende bronnen: aardpotentiaalverschillen tussen subsystemen; algemene geluidsbronnen zoals common-mode energie en stralingsenergie; en hoogspanningsgeluid en pieken op de stroomdistributiebus. Er zijn twee soorten isolatie nodig om te zorgen voor een robuuste werking van de CAN-bus-interconnecties in automotive- en industriële systemen:

1. Isolatie van de stroombus
2. Isolatie van de communicatiebussen die de verschillende subsystemen met elkaar verbinden

Oplossingen die gebruik maken van gescheiden isolatie voor de voeding- en signaalpaden zijn vaak goedkoper en hebben een hogere efficiëntie in vergelijking met geïntegreerde oplossingen. Deze oplossingen stellen de ontwerper ook in staat om zelfstandig de isolatieniveaus van de twee paden te optimaliseren. De ontwerper is vrij om het type isolatietechnologie te kiezen dat het meest geschikt is voor de specifieke toepassing. Keuzes zijn onder andere magnetische isolatie, optische isolatie en capacitieve isolatie. Een gedetailleerde bespreking van de verschillende isolatiemogelijkheden valt buiten het bestek van dit artikel, maar voor een goed overzicht, zie "Hoe de juiste galvanische isolatietechnologie voor IoT-sensors te selecteren".

Er wordt ook een onderscheid gemaakt tussen elektrische basisisolatie (met materialen die geen elektrische stroom toelaten) en versterkte isolatie. Het vereiste isolatieniveau wordt bepaald door de betrokken spanningsniveaus, evenals de aan- of afwezigheid van een verbinding van toegankelijke delen naar de aarding. De basisisolatie biedt één niveau van bescherming tegen elektrische schokken. Systemen met een spanning van meer dan 60 volt DC of 30 volt AC worden als gevaarlijk beschouwd en vereisen ten minste één beschermingsniveau. Het systeem zal niet noodzakelijkerwijs veilig falen, maar een eventuele storing zal in het systeem worden ingedamd. Versterkte of dubbele isolatie zorgt voor twee beschermingsniveaus. Dit garandeert de veiligheid van de gebruiker in geval van een storing. Een systeem dat op netspanning is aangesloten, moet een versterkte isolatie hebben.

Ontwerp afwegingen tussen isolatie-oplossingen

De isolatiemogelijkheden in CAN-bussystemen omvatten discrete oplossingen waarbij de voeding en het signaal afzonderlijk worden geïsoleerd, maar ook volledig geïntegreerde vermogens- en signaalisolatieoplossingen. Geïntegreerde oplossingen kunnen ook gerelateerde beveiligingsfuncties omvatten zoals hoge elektrostatische ontlading (ESD), robuustheid en radiofrequentie-immuniteit (RF), waardoor ze kunnen worden gebruikt in automotive en industriële toepassingen zonder extra beveiligingsvoorzieningen zoals transiënte spanningsonderdrukkers.

Er is een prestatie-ruil van grootte versus efficiëntie tussen deze verschillende oplossingsopties. In termen van de grootte van de oplossing zijn single-chip-oplossingen de kleinste, met een oppervlakte van ongeveer 330 millimeter in het kwadraat (mm²). Twee-chip oplossingen zijn groter, meestal ongeveer 875 mm². Als gevolg van de grootte van de externe DC-DC-convertor en de benodigde ondersteuningscomponenten, zijn discrete oplossingen aanzienlijk groter, meestal ongeveer 1.600 tot 2.000 mm² in grootte.

Er zijn ook efficiëntie-afwegingen, waarbij de grotere oplossingen de neiging hebben om beduidend efficiënter te zijn. Aangezien de betrokken vermogensniveaus echter meestal vrij laag zijn, namelijk 3 tot 5 volt bij maximaal 15 milliampère (mA), kan de thermische impact in een ontwerp niet significant zijn. De efficiëntie varieert van 50% tot 60% voor één- en twee-chip-oplossingen, met tot 75% tot 80% voor discrete isolatie-oplossingen die gebruik maken van een externe DC-DC-convertor.

Discrete isolatie-oplossingen voor CAN-zendontvangers

Geïsoleerde CAN-zendontvangers zijn relatief eenvoudige apparaten. Denk bijvoorbeeld aan Texas Instruments' ISO1042DWR geïsoleerde CAN-zendontvanger met 70 volt busfoutbeveiliging en flexibele datasnelheid (Afbeelding 1). Het ISO1042DWR-apparaat is verkrijgbaar met een keuze uit basis- of versterkte isolatie. De basis ISO1042-zendontvangers zijn ontworpen voor industriële toepassingen.

Afbeelding 1: De ISO1042 geïsoleerde CAN-zendontvanger is verkrijgbaar met een keuze uit basis- of versterkte galvanische isolatie. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De ISO1042 ondersteunt datasnelheden tot 5 megabit per seconde (Mbits/s) in de CAN-flexibele datasnelheidsmodus (FD), waardoor een veel snellere overdracht van gegevens mogelijk is dan bij het klassieke CAN. Dit apparaat maakt gebruik van een isolatiebarrière van siliciumdioxide (SiO₂) met een weerstandsspanning van 5000 volt rms. De ISO1042 stelt de ontwerper in staat om de optimale busbeveiliging te selecteren voor de specifieke behoeften van individuele toepassingen. In combinatie met geïsoleerde voedingen voorkomt het apparaat dat er geluidsstromen op een databus of andere circuits in de lokale grond terechtkomen en dat deze het gevoelige circuit verstoren of beschadigen.

Deze geïsoleerde CAN-zendontvangers hebben verschillende veiligheidsgerelateerde certificeringen (dit zijn belangrijke veiligheidsnormen en certificeringen voor elk apparaat dat versterkte en/of elementaire isolatiemogelijkheden biedt):

• 7071-VPK VIOTM en 1500-VPK VIORM (versterkte en basisopties) volgens DIN VDE V 0884-11:2017-01
• 5000-VRMS-isolatie voor één minuut per UL 1577
• IEC 60950-1, IEC 60601-1 en EN 61010-1-certificeringen
• CQC-, TUV- en CSA-certificaten

Er zijn twee opties voor het evaluatiebord voor ontwerpers die de ISO1042 overwegen. Texas Instruments biedt de ISO1042DWEVM-evaluatiemodule die ingenieurs in staat stelt om de hoge prestaties, versterkte geïsoleerde CAN ISO1042 in een 16-pins breed lichaam SOIC-pakket (pakketcode DW) te evalueren. De EVM is een oplossing met twee chips en beschikt over voldoende testpunten en jumperopties om het apparaat met minimale externe componenten te evalueren.

RECOM Power biedt het R-REF03-CAN1-evaluatiebord voor de ISO1042. De R-REF03-CAN1-kaart toont de ISO1042 geïsoleerde CAN-zendontvanger die wordt geleverd door de R1SX-3.305/H geïsoleerde DC-DC-convertor. Voor de levering van het referentiebord is slechts één 3,3 volt externe voeding nodig. Met dit referentiebord kunnen ontwerpers snel geïsoleerde systemen ontwikkelen en analyseren.

Terwijl de Texas Instruments ISO1042 is geoptimaliseerd voor gebruik in industriële CAN-toepassingen, is de TJA1052i high-speed CAN-zendontvanger van NXP specifiek gericht op elektrische voertuigen (EV's) en hybride elektrische voertuigen (HEV's), waar galvanische isolatiebarrières nodig zijn tussen de hoog- en laagspanningsonderdelen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De TJA1052i van NXP is geoptimaliseerd voor gebruik in elektrische voertuigen en hybride elektrische voertuigen. (Bron afbeelding: NXP Semiconductors)

De TJA1052i is ontworpen voor gebruik in lithium-ion (Li-ion) batterijmanagement, regeneratief remmen en 48 volt tot 12 volt niveauverschuiving. Het apparaat kan ook worden gebruikt voor het isoleren van hoogspanningspompen en -motors op aanvraag bij riemeliminatieprojecten. De AEC-Q100 gekwalificeerde TJA1052i implementeert de CAN-fysieke laag (PHY) zoals gedefinieerd in ISO 11898-2:2016, en SAE J2284-1 tot SAE J2284-5. Er zijn drie isolatieniveaus beschikbaar: 1 kilovolt (kV), 2,5 kV en 5 kV. Net als de ISO1042 heeft de TJA1052i een externe geïsoleerde stroombron nodig.

Geïntegreerde stroom- en signaalisolatie-oplossingen

Terwijl discrete DC-DC-convertorimplementaties over het algemeen efficiënter zijn dan hun geïntegreerde tegenhangers, bieden geïntegreerde oplossingen verschillende voordelen:

• Bordoppervlakteverkleining
• Eenvoudiger certificering
• Eenvoud van ontwerp

De ADM3055E/ADM3057E van Analog Devices zijn 5 kV rms en 3 kV rms geïsoleerde CAN-zendontvangers met geïntegreerde geïsoleerde DC-DC-convertors (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De ADM3055E/ADM3057E geïsoleerde CAN-zendontvangers integreren zowel voeding als signaalisolatie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De apparaten worden gevoed door een enkele 5 volt voeding en bieden een volledig geïsoleerde oplossing voor CAN en CAN FD. De stralingsemissies van de hoogfrequente schakelingen van de DC-DC-convertors worden onder de EN 55022-klasse B-grenswaarden gehouden door voortdurende aanpassingen van de schakelfrequentie. Veiligheids- en wettelijke goedkeuringen (in afwachting van dit schrijven) voor 5 kV rms isolatiespanning, 10 kV piekspanningstest, en 8,3 mm kruip en speling zorgen ervoor dat de ADM3055E voldoet aan de toepassingsgerichte isolatie-eisen. De ADM3057E heeft een isolatiespanning van 3 kV rms en 7,8 mm kruipgang in een 20-draads, breed lichaam SOIC.

Ter ondersteuning van de ontwerpontwikkeling met behulp van de ADM3055E/ADM3057E biedt Analog Devices het EVAL-ADM3055EEBZ-evaluatiebord. De ADM3055E en de ADM3057E integreren de signaalisolatiekanalen van de logica aan de zijkant (OOK) en een Analog Devices isoPower DC-DC-convertor om een gereguleerd, geïsoleerd vermogen te leveren dat ver onder de EN55022 klasse B-grenzen ligt bij het verzenden op een tweelaagse printplaat (pc) met oppervlaktemontage van ferrietparels.

Texas Instruments biedt een andere benadering van voeding- en signaalisolatie in CAN-communicatie op basis van een twee-chip-oplossing met de ISOW7841, een tweekanaals geïsoleerd gegevens- en voedingsapparaat samen met de CAN-zendontvanger TCAN1042H (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze oplossing met twee chips zorgt voor voeding- en signaalisolatie in één chip (links) en CAN-communicatie in de tweede chip (rechts). (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De integratie van de transformator in de ISOW7841-chip bespaart ruimte, niet alleen in de x- en y-maat, maar ook in de z-(hoogte)-maat. Om de ISOW7841 te evalueren is de ISOW7841EVM-evaluatiemodule beschikbaar. Bij het werken met de twee chips kan de totale printplaatruimte worden verminderd door het ISOW7841-apparaat aan de ene kant van een printplaat te plaatsen en het CAN-apparaat aan de andere kant.

Deze twee-chip-oplossing resulteert in ontwerpen die geen extra componenten nodig hebben om het geïsoleerde vermogen op te wekken, waardoor de isolatie-oplossing minder dan een kwart van de grootte van oplossingen heeft die een discrete transformator gebruiken om het vereiste geïsoleerde vermogen op te wekken. Eén gerelateerd referentie-ontwerp neemt een enkele voedingsingang tussen 3 en 5,5 volt en de digitale signalen verwijzen naar het ingangsniveau aan één zijde van een bord. De ISOW7841 genereert dan een geïsoleerde voeding met behulp van een geïntegreerde DC-DC-convertor, die wordt gebruikt om de CAN-zendontvanger aan de andere kant van de printplaat van stroom te voorzien. De signalen aan de voedingszijde van de printplaat zijn geïsoleerd en aangesloten op de CAN-zendontvanger, die de single-ended digitale signalen omzet in het differentiële CAN-formaat.

Conclusie

Voedings- en signaalisolatie zijn nodig om CAN-bussen te beschermen tegen mogelijke storingen als gevolg van aardpotentiaalverschillen tussen subsystemen, algemene geluidsbronnen zoals common-mode energie en stralingsenergie, en hoogspanningsgeluiden en pieken op de stroomdistributiebus.

Zoals afgebeeld, omvatten de isolatie-opties voor CAN-bussystemen zowel discrete oplossingen waarbij de voeding en het signaal afzonderlijk worden geïsoleerd, als volledig geïntegreerde vermogens- en signaalisolatie-oplossingen, die ook gerelateerde beveiligingsfuncties kunnen omvatten die het gebruik ervan in automotive- en industriële toepassingen mogelijk maken zonder extra beveiligingsvoorzieningen, zoals onderdrukkingsdiodes.

Aanbevolen leesmateriaal

1: Hoe kiest u de juiste galvanische isolatietechnologie voor IoT-sensors

2: Pas de nieuwste CAN-busverbeteringen toe voor veilige, betrouwbare, snelle automotivecommunicatie