Implementierung von Leistungs- und Signalisolation für den zuverlässigen Betrieb von CAN-Bussen

Der Einsatz von Controllern in Automobil- und Industriesystemen, die mit Controller Area Network (CAN)-Kommunikationsbussen verbunden sind, nimmt immer mehr zu. Für Konstrukteure bedeutet dies, dass sie Umgebungen berücksichtigen müssen, die über einen breiten Frequenzbereich elektrisch verrauscht sind - von hochfrequent abgestrahlter elektromagnetischer Interferenz (EMI) bis hin zu leitungsgeführten Gleichtaktstörungen und Spannungsspitzen beim An- und Abschalten verschiedener Lasten wie Elektromotoren, Relais sowie beim Starten und Stoppen von Generatoren/Generatoren. Obwohl CAN-Busse für raue elektrische Umgebungen geeignet sind, sind sie anfällig für verschiedene Ausfallmodi, wenn sie nicht ordnungsgemäß geschützt sind.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die potenziellen Ursachen von CAN-Ausfällen und stellt gängige Isolationstechnologien vor. Anschließend werden Lösungen von Anbietern wie Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors und Analog Devices vorgestellt, die Entwickler zum Schutz von CAN-Geräten verwenden können, sowie Hinweise zur effektiven Implementierung der Lösungen, einschließlich der Verwendung von Evaluierungsboards. Die vorgestellten Lösungen umfassen diskrete Implementierungen (d.h. auf der Basis eines individuellen CAN-Transceivers) und integrierte Lösungen, die auf isolierten Ein-Chip- und Zwei-Chip-CAN-Bus-Designs basieren.

Quellen des Scheiterns und die Notwendigkeit der Isolation

Fehler in CAN-Bussen können aus einer Vielzahl von Quellen entstehen: Massepotenzialunterschiede zwischen Subsystemen, allgemeine Rauschquellen wie Gleichtakt- und Strahlungsenergie sowie Hochspannungsrauschen und -spitzen auf dem Stromverteilungsbus. Zwei Arten der Isolierung sind erforderlich, um einen robusten Betrieb von CAN-Bus-Verbindungen in Automobil- und Industriesystemen zu gewährleisten:

1. Isolierung vom Energiebus
2. Isolierung der Kommunikationsbusse, die die verschiedenen Subsysteme verbinden

Lösungen mit separater Isolierung für den Leistungs- und Signalpfad sind oft kostengünstiger und haben eine höhere Effizienz im Vergleich zu integrierten Lösungen. Diese Lösungen ermöglichen es dem Konstrukteur auch, die Isolationsgrade der beiden Pfade unabhängig voneinander zu optimieren. Dem Konstrukteur steht es frei, die Art der Isoliertechnologie zu wählen, die für die spezifische Anwendung am besten geeignet ist. Zur Auswahl stehen magnetische Isolierung, optische Isolierung und kapazitive Isolierung. Eine detaillierte Diskussion der verschiedenen Isolationsmöglichkeiten würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber für eine gute Übersicht siehe "Wie man die richtige galvanische Isolationstechnologie für IoT-Sensoren auswählt".

Es wird auch unterschieden zwischen elektrischer Basisisolierung (mit Materialien, die den Fluss von elektrischem Strom nicht zulassen) und verstärkter Isolierung. Das erforderliche Isolationsniveau wird durch die betroffenen Spannungsebenen sowie durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Verbindung von zugänglichen Teilen zur Erde bestimmt. Die Basisisolierung bietet eine Stufe des Schutzes gegen elektrischen Schlag. Systeme mit einer Spannung von mehr als 60 Volt DC oder 30 Volt AC gelten als gefährlich und erfordern mindestens eine Schutzstufe. Das System wird nicht notwendigerweise ausfallsicher sein, aber jeder Ausfall wird innerhalb des Systems eingedämmt. Verstärkte oder doppelte Isolierung bietet zwei Schutzebenen. Dies gewährleistet die Sicherheit des Benutzers im Falle eines Ausfalls. Ein an Netzspannungen angeschlossenes System muss über eine verstärkte Isolierung verfügen.

Design-Kompromisse zwischen Isolationslösungen

Zu den Isolationsmöglichkeiten in CAN-Bus-Systemen gehören diskrete Lösungen, bei denen Leistung und Signal getrennt voneinander isoliert sind, sowie voll integrierte Lösungen zur Leistungs- und Signalisolation. Integrierte Lösungen können auch verwandte Schutzfunktionen wie Robustheit gegen hohe elektrostatische Entladung (ESD) und Hochfrequenz (HF)-Immunität umfassen, so dass sie in Automobil- und Industrieanwendungen ohne zusätzliche Schutzvorrichtungen wie Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen eingesetzt werden können.

Zwischen diesen verschiedenen Lösungsoptionen gibt es einen Leistungskompromiss zwischen Größe und Effizienz. In Bezug auf die Größe der Lösung sind Ein-Chip-Lösungen die kleinsten, typischerweise mit einer Grundfläche von etwa 330 Millimeter im Quadrat (mm²). Zwei-Chip-Lösungen sind größer, typischerweise etwa 875 mm². Aufgrund der Größe des externen DC-DC-Wandlers und der benötigten Unterstützungskomponenten sind diskrete Lösungen deutlich größer, typischerweise etwa 1.600 bis 2.000 mm².

Es gibt auch Effizienzkompromisse, wobei die größeren Lösungen tendenziell wesentlich effizienter sind. Da es sich jedoch um recht niedrige Stromstärken handelt - 3 bis 5 Volt bei bis zu 15 Milliampere (mA) - ist die thermische Belastung bei einem Design möglicherweise nicht signifikant. Die Wirkungsgrade reichen von 50% bis 60% bei Ein-Chip- und Zwei-Chip-Lösungen, mit bis zu 75% bis 80% bei diskreten Isolationslösungen unter Verwendung eines externen DC-DC-Wandlers.

Diskrete Isolationslösungen für CAN-Transceiver

Isolierte CAN-Transceiver sind relativ einfache Geräte. Betrachten Sie zum Beispiel den ISO1042DWR isolierten CAN-Transceiver von Texas Instruments mit 70-Volt-Bus-Fehlerschutz und flexibler Datenrate (Abbildung 1). Die ISO1042DWR-Vorrichtung ist wahlweise mit einfacher oder verstärkter Isolierung erhältlich. Die grundlegenden ISO1042-Transceiver sind für industrielle Anwendungen konzipiert.

<Abbildung 1: Der ISO1042-isolierte CAN-Transceiver ist mit einer Auswahl an einfacher oder verstärkter galvanischer Trennung erhältlich. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die ISO1042 unterstützt Datenübertragungsraten von bis zu 5 Megabit pro Sekunde (Mbits/s) im FD-Modus (Flexible Data-Rate) von CAN, was im Vergleich zu klassischem CAN eine wesentlich schnellere Datenübertragung ermöglicht. Dieses Gerät verwendet eine Siliziumdioxid-Isolationsbarriere (SiO₂) mit einer Stehspannung von 5000 Volt rms. Die ISO1042 ermöglicht es dem Konstrukteur, die optimalen BUS-Schutzgeräte für die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendungen auszuwählen. In Verbindung mit isolierten Stromversorgungen verhindert das Gerät, dass Störströme auf einem Datenbus oder anderen Schaltungen in die lokale Masse gelangen und empfindliche Schaltungen stören oder beschädigen.

Diese isolierten CAN-Transceiver verfügen über mehrere sicherheitsbezogene Zertifizierungen (dies sind wichtige Sicherheitsnormen und Zertifizierungen für alle Geräte, die verstärkte und/oder grundlegende Isolationsoptionen bieten):

• 7071-VPK VIOTM und 1500-VPK VIORM (Verstärkte und Basis-Optionen) nach DIN VDE V 0884-11:2017-01
• 5000-VRMS Isolation für eine Minute nach UL 1577
• Zertifizierungen nach IEC 60950-1, IEC 60601-1 und EN 61010-1
• CQC-, TUV- und CSA-Zertifizierungen

Es gibt zwei Optionen für Designer, die die ISO1042 in Betracht ziehen. Texas Instruments bietet das Evaluierungsmodul ISO1042DWEVM an, das es Ingenieuren ermöglicht, den hochleistungsfähigen, verstärkten, isolierten CAN ISO1042 in einem 16-poligen Wide Body SOIC-Gehäuse (Gehäusecode DW) zu evaluieren. Der EVM ist eine Zwei-Chip-Lösung und verfügt über genügend Testpunkte und Jumper-Optionen, um das Gerät mit minimalen externen Komponenten zu evaluieren.

RECOM Power bietet das R-REF03-CAN1 Evaluierungsboard für die ISO1042 an. Die Baugruppe R-REF03-CAN1 demonstriert den nach ISO1042 isolierten CAN-Transceiver, der durch den R1SX-3.305/H isolierten DC-DC-Wandler versorgt wird. Zur Versorgung der Referenzplatine ist nur eine externe 3,3-Volt-Versorgung erforderlich. Dieses Referenzboard ermöglicht es Designern, isolierte Systeme schnell zu entwickeln und zu analysieren.

Während die ISO1042 von Texas Instruments für den Einsatz in industriellen CAN-Anwendungen optimiert ist, ist der TJA1052i Hochgeschwindigkeits-CAN-Transceiver von NXP speziell auf Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) ausgerichtet, bei denen galvanische Trennbarrieren zwischen den Hoch- und Niederspannungsteilen erforderlich sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der TJA1052i von NXP ist für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und Hybrid-Elektrofahrzeugen optimiert. (Bildquelle: NXP Semiconductors)

Der TJA1052i ist für den Einsatz im Lithium-Ionen (Li-ion)-Batteriemanagement, regeneratives Bremsen und 48-Volt- bis 12-Volt-Level-Shifting ausgelegt. Das Gerät kann auch zur Isolierung von Hochspannungspumpen und -motoren auf Abruf in Projekten zur Beseitigung von Riemen verwendet werden. Der AEC-Q100-qualifizierte TJA1052i implementiert die physikalische CAN-Schicht (PHY), wie in ISO 11898-2:2016 und SAE J2284-1 bis SAE J2284-5 definiert. Es stehen drei Isolationsstufen zur Verfügung: 1 Kilovolt (kV), 2,5 kV und 5 kV. Wie der ISO1042 benötigt der TJA1052i eine externe, isolierte Stromquelle.

Integrierte Lösungen zur Leistungs- und Signalisolierung

Während diskrete DC/DC-Wandler-Implementierungen im Allgemeinen effizienter als ihre integrierten Gegenstücke sind, bieten integrierte Lösungen mehrere Vorteile:

• Reduzierung der Vorstandsfläche
• Leichtere Zertifizierung
• Einfachheit des Designs

Die ADM3055E/ADM3057E von Analog Devices sind 5 kV rms und 3 kV rms isolierte CAN-Transceiver mit integrierten isolierten DC-DC-Wandlern (Abbildung 3).

<Abbildung 3: Die isolierten CAN-Transceiver ADM3055E/ADM3057E integrieren sowohl eine Leistungs- als auch eine Signalisolation. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Geräte werden von einer einzigen 5-Volt-Versorgung gespeist und bieten eine vollständig isolierte Lösung für CAN und CAN FD. Die Störaussendung der Hochfrequenzschaltung der DC/DC-Wandler wird durch kontinuierliche Anpassung der Schaltfrequenz unter den Grenzwerten der EN 55022 Klasse B gehalten. Sicherheits- und behördliche Zulassungen (zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels anhängig) für 5 kV rms Isolationsspannung, 10 kV Stoßspannungsprüfung und 8,3 mm Kriech- und Luftstrecke stellen sicher, dass der ADM3055E die Anforderungen der Anwendung an eine verstärkte Isolation erfüllt. Der ADM3057E hat eine Isolationsspannung von 3 kV rms und 7,8 mm Kriechstrom in einem 20-poligen Wide-Body-SOIC.

Zur Unterstützung der Designentwicklung mit dem ADM3055E/ADM3057E bietet Analog Devices das EVAL-ADM3055EEBZ Evaluation Board an. Der ADM3055E und der ADM3057E verfügen über OOK-Signalisolationskanäle (OOK = logic side on-off keying) und einen isoPower-DC-DC-DC-Wandler von Analog Devices, um bei der Übertragung auf einer zweilagigen Leiterplatte mit oberflächenmontierten Ferritperlen eine geregelte, isolierte Leistung zu liefern, die weit unter den Grenzwerten der EN55022 Klasse B liegt.

Texas Instruments bietet einen anderen Ansatz zur Leistungs- und Signalisolation in der CAN-Kommunikation an, der auf einer Zwei-Chip-Lösung mit dem ISOW7841, einem zweikanaligen isolierten Daten- und Stromversorgungsgerät zusammen mit dem CAN-Transceiver TCAN1042H basiert (Abbildung 4).

<Abbildung 4: Diese Zwei-Chip-Lösung bietet Leistungs- und Signalisolation auf einem Chip (links) und CAN-Kommunikation auf dem zweiten Chip (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Integration des Transformators im Inneren des ISOW7841-Chips spart Platz nicht nur in den x- und y-Abmessungen, sondern auch in der z (Höhe) Dimension. Zur Evaluierung der ISOW7841 steht das ISOW7841EVM Evaluierungsmodul zur Verfügung. Wenn mit den beiden Chips gearbeitet wird, kann der Platinenplatz insgesamt reduziert werden, indem der ISOW7841-Baustein auf der einen Seite einer Platine und der CAN-Baustein auf der anderen Seite platziert wird.

Diese Zwei-Chip-Lösung führt zu Designs, die keine zusätzlichen Komponenten zur Erzeugung der isolierten Leistung benötigen. Damit ist die Isolationslösung weniger als ein Viertel so groß wie bei Lösungen, die zur Erzeugung der erforderlichen isolierten Leistung einen diskreten Transformator verwenden. Ein verwandtes Referenzdesign nimmt einen einzelnen Stromversorgungseingang zwischen 3 und 5,5 Volt und die digitalen Signale bezogen auf den Eingangsversorgungspegel auf einer Seite einer Platine. Der ISOW7841 erzeugt dann mit Hilfe eines integrierten DC-DC-Wandlers eine isolierte Stromversorgung, die zur Speisung des CAN-Transceivers auf der anderen Seite der Karte verwendet wird. Die Signale auf der Leistungsseite der Karte sind isoliert und mit dem CAN-Transceiver verbunden, der die unsymmetrischen digitalen Signale in das differentielle CAN-Format umwandelt.

Fazit:

Die Leistungs- und Signalisolation ist notwendig, um CAN-Busse vor potentiellen Ausfällen zu schützen, die durch Erdpotentialunterschiede zwischen Subsystemen, allgemeine Rauschquellen wie Gleichtakt-Energie und abgestrahlte Energie sowie Hochspannungsrauschen und -spitzen auf dem Stromverteilungsbus entstehen.

Wie gezeigt, umfassen die Isolationsoptionen für CAN-Bus-Systeme sowohl diskrete Lösungen, bei denen Leistung und Signal getrennt voneinander isoliert sind, als auch vollständig integrierte Leistungs- und Signalisolationslösungen, die auch verwandte Schutzfunktionen enthalten können, die ihren Einsatz in Automobil- und Industrieanwendungen ohne zusätzliche Schutzvorrichtungen, wie z. B. Suppressordioden, ermöglichen.

Empfohlene Lektüre

1: Wie man die richtige galvanische Isolationstechnologie für IoT-Sensoren auswählt

2: Anwendung der neuesten CAN-Bus-Erweiterungen für eine sichere, zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Automobilkommunikation