Come implementare l'isolamento dell'alimentazione e del segnale per un funzionamento affidabile dei bus CAN

Si sta registrando un'accelerazione nell'uso di controller nei sistemi automotive e industriali interconnessi con i bus di comunicazione di reti CAN. Per i progettisti, ciò significa che devono tenere conto degli ambienti che presentano rumore elettrico su un'ampia gamma di frequenze, dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) irradiate ad alta frequenza alle interferenze condotte di modo comune, nonché dei picchi di tensione derivanti dal collegamento e dallo scollegamento di vari carichi come motori elettrici, relè e alternatori/generatori di avviamento e arresto. Sebbene siano adatti ad ambienti elettrici difficili, i bus CAN sono soggetti a varie modalità di guasto se non adeguatamente protetti.

Questo articolo esamina le cause potenziali dei guasti CAN e presenta le comuni tecnologie di isolamento. Introduce poi soluzioni di fornitori quali Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors e Analog Devices, che i progettisti possono utilizzare per proteggere i dispositivi CAN, insieme a una guida su come implementare le soluzioni in modo efficace, compreso l'uso di schede di valutazione. Le soluzioni presentate comprendono implementazioni discrete (cioè basate su un singolo transceiver CAN) e soluzioni integrate basate su progetti di bus CAN isolati a uno o due chip.

Origini dei guasti e necessità di isolamento

I guasti nei bus CAN possono avere varie origini: differenze di potenziale di terra tra i sottosistemi; fonti di rumore generale come l'energia di modo comune e l'energia irradiata; rumore di alta tensione e picchi sul bus di distribuzione dell'energia. Sono necessari due tipi di isolamento per garantire un funzionamento robusto delle interconnessioni bus CAN nei sistemi automotive e industriali:

1. Isolamento dal bus di alimentazione
2. Isolamento dei bus di comunicazione che collegano i vari sottosistemi

Le soluzioni che impiegano l'isolamento separato per i percorsi di alimentazione e di segnale sono spesso più economiche e hanno efficienze superiori rispetto alle soluzioni integrate. Queste soluzioni consentono inoltre al progettista di ottimizzare in modo indipendente i livelli di isolamento dei due percorsi. Il progettista è libero di scegliere il tipo di tecnologia di isolamento più appropriato per la specifica applicazione. Le scelte includono l'isolamento magnetico, l'isolamento ottico e l'isolamento capacitivo. Una discussione dettagliata delle varie scelte di isolamento va oltre lo scopo di questo articolo, ma per una buona analisi si veda "Come selezionare la giusta tecnologia di isolamento galvanico per i sensori IoT".

Esiste anche una distinzione tra l'isolamento elettrico di base (mediante materiali che non permettono il flusso di corrente elettrica) e l'isolamento rinforzato. Il livello di isolamento richiesto è determinato dai livelli di tensione coinvolti, così come dalla presenza o assenza di un collegamento dai componenti accessibili a terra. L'isolamento di base fornisce un livello di protezione dalle scosse elettriche. I sistemi con una tensione superiore a 60 V c.c. o 30 V c.a. sono considerati pericolosi e richiedono almeno un livello di protezione. Il sistema non sarà necessariamente a prova di guasto, ma qualsiasi guasto sarà contenuto all'interno del sistema. L'isolamento rinforzato o doppio fornisce due livelli di protezione. Ciò garantisce la sicurezza dell'utente in caso di guasto. Un sistema collegato alla tensione di rete deve avere un isolamento rinforzato.

Compromessi di progettazione tra le soluzioni di isolamento

Le opzioni di isolamento nei sistemi bus CAN includono soluzioni discrete in cui l'alimentazione ed il segnale sono isolati separatamente, così come soluzioni di isolamento dell'alimentazione e del segnale completamente integrate. Le soluzioni integrate possono anche includere funzioni di protezione correlate, come l'alta robustezza alle scariche elettrostatiche (ESD) e l'immunità alla radiofrequenza (RF), consentendo il loro utilizzo in applicazioni automotive e industriali senza dispositivi di protezione aggiuntivi come diodi soppressori di tensioni transitorie.

Tra queste varie opzioni di soluzione vi è un compromesso tra le dimensioni e l'efficienza. In termini di dimensioni della soluzione, le soluzioni a singolo chip sono le più piccole e hanno un ingombro di circa 330 mm². Le soluzioni a due chip sono più grandi, tipicamente circa 875 mm². Come risultato delle dimensioni del convertitore c.c./c.c. esterno e dei componenti di supporto necessari, le soluzioni discrete sono significativamente più grandi, tipicamente circa 1.600-2.000 mm².

Ci sono anche dei compromessi in termini di efficienza, con le soluzioni più grandi che tendono ad essere molto più efficienti. Tuttavia, poiché i livelli di potenza coinvolti tendono ad essere piuttosto bassi (da 3 a 5 V fino a 15 mA), l'impatto termico può non essere significativo in un progetto. L'efficienza varia dal 50% al 60% per soluzioni a uno e due chip, con un massimo del 75% all'80% per soluzioni di isolamento discrete che utilizzano un convertitore c.c./c.c. esterno.

Soluzioni di isolamento discrete per transceiver CAN

I transceiver CAN isolati sono dispositivi relativamente semplici. Si consideri, ad esempio, il transceiver CAN isolato ISO1042DWR di Texas Instruments con protezione dai guasti del bus a 70 V e velocità di trasmissione dati flessibile (Figura 1). Il dispositivo ISO1042DWR è disponibile con una scelta di isolamento di base o rinforzato. I transceiver ISO1042 di base sono progettati per applicazioni industriali.

Figura 1: Il transceiver CAN isolato ISO1042 è disponibile con una scelta di isolamento galvanico di base o rinforzato. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

ISO1042 supporta velocità di trasferimento dati fino a 5 Mbit/s in modalità CAN Flexible Data-Rate (FD), consentendo un trasferimento di dati molto più veloce rispetto al CAN classico. Questo dispositivo utilizza una barriera di isolamento al biossido di silicio (SiO₂) con una tensione di tenuta di 5000 V rms. ISO1042 consente al progettista di selezionare i dispositivi di protezione del bus ottimali per le esigenze specifiche delle singole applicazioni. Utilizzato in abbinamento con alimentatori isolati, il dispositivo impedisce alle correnti di rumore sul bus dati o altri circuiti di penetrare nella massa locale e di interferire con o danneggiare i circuiti sensibili.

Questi transceiver CAN isolati hanno diverse certificazioni relative alla sicurezza (si tratta di importanti standard di sicurezza e certificazioni per qualsiasi dispositivo che offra opzioni di isolamento rinforzato e/o di base):

• 7071-VPK VIOTM e 1500-VPK VIORM (Opzioni rinforzate e di base) secondo DIN VDE V 0884-11:2017-01
• Isolamento 5.000 V rms per un minuto secondo UL 1577
• Certificazioni IEC 60950-1, IEC 60601-1 e EN 61010-1
• Certificazioni CQC, TUV e CSA

Ci sono due opzioni di scheda di valutazione per i progettisti che prendono in considerazione ISO1042. Texas Instruments offre il modulo di valutazione ISO1042DWEVM che permette agli ingegneri di valutare ISO1042 CAN a isolamento rinforzato in un contenitore SOIC a corpo largo a 16 pin ad alte prestazioni (codice contenitore DW) . L'EVM è una soluzione a due chip e dispone di punti di prova e opzioni di ponticelli sufficienti per valutare il dispositivo con un numero minimo di componenti esterni.

RECOM Power offre la scheda di valutazione R-REF03-CAN1 per ISO1042. La scheda R-REF03-CAN1 consente dimostrazioni del transceiver CAN isolato ISO1042 fornito dal convertitore c.c./c.c. isolato R1SX-3.305/H. Per alimentare la scheda di riferimento è necessaria una sola alimentazione esterna a 3,3 V. Questa scheda di riferimento consente ai progettisti di sviluppare e analizzare rapidamente sistemi isolati.

Mentre ISO1042 Texas Instruments è ottimizzato per l'uso in applicazioni CAN industriali, il transceiver CAN ad alta velocità TJA1052i di NXP è specificamente destinato ai veicoli elettrici (EV) e ai veicoli elettrici ibridi (HEV), dove sono necessarie barriere di isolamento galvanico tra i componenti ad alta e bassa tensione (Figura 2).

Figura 2: TJA1052i di NXP è ottimizzato per l'uso nei veicoli elettrici ed elettrici ibridi. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

TJA1052i è progettato per l'uso nella gestione delle batterie agli ioni di litio (Li-Ion), nella frenatura rigenerativa e nella commutazione di livello da 48 a 12 V. Il dispositivo può essere utilizzato anche per isolare pompe e motori ad alta tensione su richiesta nei progetti di eliminazione delle cinghie. TJA1052i qualificato AEC-Q100 implementa lo strato fisico (PHY) CAN come definito nello standard ISO 11898-2:2016, e da SAE J2284-1 a SAE J2284-5. Sono disponibili tre livelli di isolamento: 1 kV, 2,5 kV e 5 kV. Come ISO1042, TJA1052i richiede una fonte di alimentazione esterna isolata.

Soluzioni integrate per l'isolamento dell'alimentazione e del segnale

Mentre le implementazioni di convertitori c.c./c.c. discreti sono generalmente più efficienti rispetto alle loro controparti integrate, le soluzioni integrate offrono diversi vantaggi:

• Riduzione dell'ingombro su scheda
• Certificazione più facile
• Semplicità di progettazione

ADM3055E/ADM3057E di Analog Devices sono transceiver CAN isolati a 5 e 3 kV rms con convertitori c.c./c.c. isolati integrati (Figura 3).

Figura 3: I transceiver CAN isolati ADM3055E/ADM3057E integrano l'isolamento sia dell'alimentazione che del segnale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

I dispositivi sono alimentati da una singola alimentazione a 5 V e forniscono una soluzione completamente isolata per CAN e CAN FD. Le emissioni irradiate dalla commutazione ad alta frequenza dei convertitori c.c./c.c. sono mantenute al di sotto dei limiti definiti nella norma EN 55022 Classe B mediante continue regolazioni della frequenza di commutazione. Le approvazioni normative e di sicurezza (in attesa di approvazione al momento della stesura di questo articolo) per la tensione di isolamento di 5 kV rms, il test di sovratensione a 10 kV, e distanza di isolamento e distanza minima in aria di 8,3 mm assicurano che ADM3055E soddisfi i requisiti di isolamento rinforzato dell'applicazione. ADM3057E ha una tensione di isolamento di 3 kV rms e 7,8 mm di distanza di isolamento in un SOIC a corpo largo a 20 conduttori.

Per supportare gli sforzi di sviluppo del progetto utilizzando ADM3055E/ADM3057E, Analog Devices offre la scheda di valutazione EVAL-ADM3055EEBZ. ADM3055E e ADM3057E integrano i canali di isolamento del segnale con polarizzazione on-off (OOK) sul lato logico e un convertitore c.c./c.c. isoPower di Analog Devices per fornire alimentazione isolata e regolata ben al di sotto dei limiti di EN55022 Classe B quando si trasmette su una scheda a circuiti stampati a due strati con perline di ferrite a montaggio superficiale.

Texas Instruments offre un approccio diverso all'isolamento dell'alimentazione e del segnale nelle comunicazioni CAN basato su una soluzione a due chip che utilizza ISOW7841, un dispositivo di alimentazione e dati isolato a due canali insieme al transceiver CAN TCAN1042H (Figura 4).

Figura 4: Questa soluzione a due chip fornisce l'isolamento dell'alimentazione e del segnale in un chip (a sinistra) e le comunicazioni CAN nel secondo chip (a destra). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'integrazione del trasformatore all'interno del chip ISOW7841 consente di risparmiare spazio non solo nelle dimensioni x e y, ma anche nella dimensione z (altezza). Per valutare ISOW7841 è disponibile il modulo di valutazione ISOW7841EVM. Quando si lavora con i due chip, lo spazio complessivo sulla scheda può essere ridotto posizionando il dispositivo ISOW7841 su un lato della scheda e il dispositivo CAN sull'altro.

Questa soluzione a due chip si traduce in progetti che non richiedono componenti aggiuntivi per generare la potenza isolata, consentendo quindi una soluzione di isolamento grande meno di un quarto delle dimensioni delle soluzioni che utilizzano un trasformatore discreto per generare l'alimentazione isolata richiesta. Un progetto di riferimento correlato prende un ingresso di alimentazione singola tra 3 e 5,5 V e i segnali digitali si riferiscono al livello di alimentazione in ingresso su un lato di una scheda. ISOW7841 genera quindi un'alimentazione isolata utilizzando un convertitore c.c./c.c. integrato, che viene utilizzato per alimentare il transceiver CAN dall'altro lato della scheda. I segnali sul lato alimentazione della scheda sono isolati e collegati al transceiver CAN, che converte i segnali digitali a terminazione singola nel formato CAN differenziale.

Conclusione

L'isolamento dell'alimentazione e del segnale è necessario per proteggere i bus CAN da potenziali guasti dovuti a differenze di potenziale di terra tra i sottosistemi, fonti di rumore generale come l'energia di modo comune e l'energia irradiata, rumore di alta tensione e picchi sul bus di distribuzione dell'energia.

Come mostrato, le opzioni di isolamento per i sistemi bus CAN includono soluzioni discrete in cui l'alimentazione ed il segnale sono isolati separatamente, così come soluzioni di isolamento dell'alimentazione e del segnale completamente integrate, che possono anche includere funzioni di protezione correlate che possono consentirne l'uso in applicazioni automotive e industriali senza dispositivi di protezione aggiuntivi, come i diodi soppressori.

Letture consigliate

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2: Applicare i più recenti miglioramenti del bus CAN per comunicazioni sicure e affidabili nel settore automotive ad alta velocità