כיצד לממש בידוד כוח ואותות עבור פעולה אמינה של אפיקי CAN

יש כיום שימוש מואץ בבקרים במערכות כלי-רכב ותעשייה המחוברות לאפיקי תקשורת ברשת אזור בקרים (CAN). עבור המתכננים, המשמעות היא שעליהם להתחשב בסביבות הרועשות חשמלית במגוון רחב של תדרים - החל מהפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מוקרנות בתדר גבוה, דרך הפרעות מולכות באופן-משותף (CM) וכלה בשיאי מתח כתוצאה מחיבור וניתוק של עומסים שונים כגון מנועים חשמליים, ממסרים והפעלה ועצירה של אלטרנטורים/גנרטורים. בעוד שאפיקי CAN מתאימים לסביבות חשמליות קשות, הם נוטים לתקלות שונות אם הם אינם מוגנים כראוי.

מאמר זה סוקר את הסיבות האפשריות לתקלות CAN ומציג טכנולוגיות בידוד נפוצות. לאחר מכן הוא מציג פתרונות של ספקים כמו Texas Instruments‏, RECOM Power‏, NXP Semiconductors‏ ו- Analog Devices‏ שבהם יכולים המתכננים להשתמש כדי להגן על התקני CAN, לצד הנחיות כיצד ליישם את הפתרונות בצורה יעילה, כולל שימוש בלוחות הערכה. הפתרונות המוצגים כוללים יישומים בדידים (כלומר, מבוססים על מקמ"ש CAN בודד) ופתרונות משולבים המבוססים על תכני אפיק CAN מבודדים על שבב אחד או על שני שבבים.

מקורות התקלות והצורך בבידוד

תקלות באפיקי CAN יכולות לנבוע ממגוון מקורות: הפרשי פוטנציאל הארקה בין תת-מערכות, מקורות רעש כלליים כגון אנרגיית אופן-משותף (CM) ואנרגיה מוקרנת, ורעש ושיאי מתח-גבוה על אפיק פילוג הספקת-הכוח. שני סוגים של בידוד נדרשים על מנת להבטיח פעולה חסונה של חיבורי אפיק CAN במערכות כלי-רכב ותעשייה:

1. בידוד מאפיק הספקת-כוח
2. בידוד אפיקי התקשורת המחברים בין תת-מערכות שונות

פתרונות המשתמשים בבידוד נפרד עבור מסלולי הכוח והאותות הם לרוב עם עלות נמוכה יותר ויש להם יעילות גבוהה יותר בהשוואה לפתרונות משולבים. פתרונות אלו גם מאפשרים למתכנן למטב באופן עצמאי את רמות הבידוד של שני המסלולים. המתכנן חופשי לבחור את סוג טכנולוגיית הבידוד המתאימה ביותר עבור היישום הספציפי. המבחר כולל בידוד מגנטי, בידוד אופטי ובידוד קיבולי. דיון מפורט במבחר השונה של בידודים הוא מעבר לנושאי מאמר זה, אך לסקירה מקיפה ראו "כיצד לבחור את טכנולוגיית הבידוד הגלווני הנכונה עבור חיישני IoT".

יש גם הבחנה בין בידוד חשמלי בסיסי (באמצעות חומרים שאינם מאפשרים זרימת זרם חשמלי) לבין בידוד מחוזק. רמת הבידוד הנדרשת נקבעת על ידי רמות המתח המעורבות, כמו גם נוכחות או היעדר חיבורים מחלקים נגישים אל הארקת הקרקע. בידוד בסיסי מספק רמה אחת של הגנה מפני מכת חשמל.  מערכות עם מתח הגדול מ- 60 וולט DC או 30 וולט AC נחשבות מסוכנות ודורשות לפחות רמת הגנה אחת. המערכת לא בהכרח תהיה חסינת כשל, אך כל תקלה תאפשר הכלה בתוך המערכת. בידוד מחוזק או כפול מספק שתי רמות של הגנה. הוא מבטיח את בטיחות המשתמש במקרה של תקלה. מערכת המחוברת למתח הרשת דורשת בידוד מחוזק.

פשרות התכנון בין פתרונות הבידוד

אפשרויות הבידוד במערכות אפיק CAN כוללות פתרונות נפרדים שבהם הכוח והאותות מבודדים בנפרד, כמו גם פתרונות בידוד כוח ואותות משולבים-במלואם. פתרונות משולבים יכולים לכלול גם פונקציות הגנה קשורות כמו פריקה אלקטרוסטטית (ESD) חסונה וחסינות לתדרי רדיו (RF), המאפשרים את השימוש בהם ביישומי כלי-רכב ותעשייה ללא התקני הגנה נוספים כגון דיודות משככי מתחים טרנזיינטים (TVS).

קיימות פשרות ביצועים של הגודל לעומת היעילות בין אפשרויות הפיתרון השונות הללו. במונחים של גודל הפתרון, פתרונות שבב-יחיד הם הקטנים ביותר - עם חתימת-שטח טיפוסית של כ- 330 מילימטר רבוע (מ"מ²). פתרונות בשני שבבים הם גדולים יותר, בדרך כלל כ- 875 מ"מ². כתוצאה מגודל ממיר ה- DC-DC החיצוני ורכיבי התמיכה הנדרשים, פתרונות בדידים הם גדולים יותר משמעותית, בדרך כלל בגודל של כ- 1,600 עד 2,000 מ"מ².

ישנן גם פשרות בנצילות, כאשר הפתרונות הגדולים נוטים להיות עם נצילות גבוהה יותר משמעותית. עם זאת, מכיוון שרמות ההספק המעורבות נוטות להיות נמוכות למדי - 3 עד 5 וולט בעד 15 מילימפר (mA) - ההשפעה התרמית לא אמורה להיות משמעותית בתכנון. תחום הנצילויות עבור פתרונות שבב-יחיד ושני-שבבים הוא 50% עד 60%, עם עד 75% עד 80% עבור פתרונות בידוד בדידים בשימוש עם ממיר DC-DC.

פתרונות בידוד בדידים עבור מקמ"שי CAN

מקמ"שי CAN מבודדים הם התקנים פשוטים יחסית. בחנו כדוגמה את מקמ"ש CAN מבודד ISO1042DWR‏ מבית Texas Instruments עם הגנת תקלות באפיק של 70 וולט ובקצב נתונים גמיש (איור 1). התקן ISO1042DWR זמין עם בחירה בין בידוד בסיסי לבין בידוד מחוזק. מקמ"שי ISO1042 בסיסיים מתוכננים עבור יישומים תעשייתיים.

איור 1‏: התקן ISO1042 זמין עם בחירה בין בידוד בסיסי לבין בידוד גלווני מחוזק. (מקור התמונה: Texas Instruments)

ה- ISO1042 תומך בקצב נתונים של עד 5 מגה-ביט-לשנייה (Mbits/s) באופן קצב נתונים גמיש (FD‏) CAN, ומאפשר העברת נתונים מהירה בהרבה בהשוואה ל- CAN קלאסי. התקן זה משתמש במחסום בידוד סיליקון דו-חמצני (_SiO2) עם עמידות במתח של 5,000 וולט RMS. ה- ISO1042 מאפשר למתכננים לבחור את התקני הגנת האפיק האופטימליים עבור הצרכים הספציפיים של יישומים מסוימים. כשהוא משמש ביחד עם ספקי-כוח מבודדים, ההתקן מונע מזרמי רעש שעל אפיק הנתונים או על המעגלים האחרים מלחדור לתוך ההארקה המקומית ולגרום להפרעות או לנזק למעגלים רגישים.

למקמ"שי CAN מבודדים אלו יש מספר הרשאות קשורות-לבטיחות (אלו הם תקני בטיחות והרשאות חשובות עבור כל התקן המציע אפשרויות בידוד מחוזקות ו/או בסיסיות):

• ה- ‎7071-VPK VIOTM‏ ו- ‎1500-VPK VIORM‏ (אפשרויות מחוזקות ובסיסיות) לפי DIN VDE V 0884-11:2017-01
• בידוד של Vrms‏ 5,000‏ במשך דקה אחת לפי UL 1577‏
• הרשאות IEC 60950-1‏, IEC 60601-1 ו- EN 61010-1‏
• הרשאות CQC‏, TUV‏ ו- CSA

ישנן שתי אפשרויות של לוחות הערכה עבור מתכננים השוקלים את ISO1042. חברת Texas Instruments מציעה את מודול ההערכה ISO1042DWEVM‏ המאפשר למהנדסים להעריך את ה- CAN ISO1042 במארז SOIC עם גוף רחב ועם 16 פינים (קוד מארזDW). ה- EVM הוא פתרון בשני-שבבים הכולל מספיק נקודות בדיקה ואפשרויות מגשרים כדי להעריך את ההתקן עם רכיבים חיצוניים מינימליים.

חברת RECOM Power מציעה את לוח ההערכה R-REF03-CAN1‏ עבור ה- ISO1042. לוח R-REF03-CAN1 מדגים את מקמ"ש ה- CAN המבודד ISO1042 עם הספקת-כוח על ידי ממיר DC-DC מבודד R1SX-3.305/H‏. עבור הספקת-הכוח ללוח הייחוס נדרש רק ספק-כוח חיצוני של 3.3 וולט. לוח ייחוס זה מאפשר למתכננים לפתח ולנתח במהירות מערכות מבודדות.

בעוד שה- ISO1042 מבית Texas Instruments ממוטב עבור שימוש ביישומי CAN תעשייתיים, מקמ"ש CAN במהירות גבוהה TJA1052i‏ מבית NXP ממוקד במיוחד עבור רכבים חשמליים (EVs) ורכבים חשמליים היברידיים (HEV) בהם יש צורך במחסומי בידוד גלווני בין חלקי המתח הגבוה לבין חלקי המתח הנמוך (איור 2).

איור 2‏: תמונה של ה- TJA1052i מבית NXP הממוטב עבור שימוש ברכבים חשמליים וברכבים חשמליים היברידיים. (מקור התמונה: NXP Semiconductors)

ה- TJA1052i מתוכנן עבור שימוש בניהול סוללות ליתיום-יון (Li-ion), בלימה רגנרטיבית ומעבר רמות מ- 48 וולט ל- 12 וולט. ההתקן יכול לשמש גם לבידוד משאבות ומנועים במתח גבוה בפרויקטים של ביטול רצועות במשאבות ומנועים. ה- TJA1052i המורשה AEC-Q100 מממש את השכבה הפיזית (PHY) של ה- CAN כהגדרתה ב- ISO 11898-2:2016‏ וב- SAE J2284-1 עד SAE J2284-5‏. קיימות שלוש רמות: 1 קילו-וולט (kV‏), kV‏ 2.5‏ ו- kV‏ 5‏. בדומה ל- ISO1042, גם ה- TJA1052i דורש מקור הספקת-כוח חיצוני מבודד.

פתרונות בידוד כוח ואותות משולבים

בעוד שמימושי ממיר DC-DC בדידים הם בדרך כלל עם נצילות גבוהה יותר בהשוואה למקביליהם המשולבים, פתרונות משולבים מציעים מספר יתרונות:

• הקטנת שטח הלוח
• תהליך הרשאה קל יותר
• פשטות התכנון

ה- ADM3055E/ADM3057E‏ מבית Analog Devices הם מקמ"שי CAN מבודדים kV rms‏ 5‏ ו- kV rms‏ 3 עם ממירי DC-DC מבודדים משולבים (איור 3).

איור 3‏: מקמ"שי CAN מבודדים ADM3055E/ADM3057E משלבים בידוד של כוח ואותות גם יחד. (מקור התמונה: Analog Devices)

ההתקנים מוזנים באמצעות ספק-כוח 5 וולט יחיד ומספקים פתרון מבודד במלואו עבור CAN ו- CAN FD. פליטות מוקרנות מהמיתוג בתדר גבוה של ממירי DC-DC נשמרות בגבולות EN 55022 Class B על ידי התאמות רצופות לתדר המיתוג. הרשאות בטיחות ורגולציה (בתהליכי אישור בזמן כתיבת שורות אלה) עבור מתח בידוד של kV rms‏ 5, בדיקת נחשול של kV‏ 10‏, ו- Creepage‏ ו- Clearance של 8.3 מ"מ מבטיחים שה- ADM3055E‏ עומד בדרישות הבידוד המחוזקות ביישום. ל- ADM3057E‏ יש מתח בידוד של kV rms‏ 3‏ ו- Creepage של 7.8 מ"מ במארז SOIC עם גוף רחב ו- 20 מוליכים.

כדי לתמוך במאמצי פיתוח התכנים באמצעות ה- ADM3055E/ADM3057E‏, חברת Analog Devices מציעה את לוח ההערכה EVAL-ADM3055EEBZ‏. ה- ADM3055E וה- ADM3057E משלבים ערוצי בידוד אותות On-Off Keying‏ (OOK‏) צד לוגיקה, וממיר DC-DC‏ isoPower‏ מבית Analog Devices כדי לספק כוח מיוצב ומבודד שהוא הרבה מתחת לגבולות EN55022 Class B כאשר משדרים מלוח מעגלים מודפסים (PC) דו-שכבתי עם חרוזי פרייט (Ferrite‏) בהרכבה-משטחית.

חברת Texas Instruments מציעה גישה שונה לבידוד כוח ואותות בתקשורת CAN המבוססת על פתרון בשני-שבבים באמצעות ה- ISOW7841‏, התקן נתונים וכוח מבודד דו-ערוצי, לצד מקמ"ש CAN‏ TCAN1042H‏ (איור 4).

איור 4‏: פיתרון בשני-שבבים זה מספק בידוד כוח ואותות בשבב אחד (השמאלי) ותקשורת CAN בשבב השני (הימני). (מקור התמונה: Texas Instruments)

שילוב השנאי בתוך שבב ISOW7841 חוסך מקום לא רק בממדי x ו- y, אלא גם בממד z (הגובה). כדי להעריך את ה- ISOW7841‏, קיים מודול הערכה ISOW7841EVM‏. כשעובדים עם שני שבבים, ניתן להקטין את שטח הלוח הכולל על ידי מיקום התקן ה- ISOW7841 בצד אחד של הלוח והתקן ה- CAN בצד השני.

תוצאת פתרון דו-שבבי זה הם תכנים שאינם דורשים רכיבים נוספים להספקת הכוח המבודדת, וזה הופך את פתרון הבידוד לפחות מרבע מגודל הפתרונות המשתמשים בשנאי בדיד להספקת הכוח המבודדת הנדרשת. אחד מתכני הייחוס הקשורים משתמש בכניסת ספק-כוח יחיד בין 3 עד 5.5 וולט, והאותות הדיגיטליים מיוחסים לרמת ספק-כוח הכניסה בצד אחד של הלוח. לאחר מכן ה- ISOW7841 מייצר הספקת-כוח מבודדת באמצעות ממיר DC-DC משולב, המשמש להזנת מקמ"ש ה- CAN בצד השני של הלוח. האותות בצד הספקת-הכוח של הלוח מבודדים ומחוברים למקמ"ש ה- CAN, הממיר את האותות הדיגיטליים קצה-יחיד (Single-Ended) לפורמט CAN הפרשי.

סיכום

בידוד כוח ואותות דרוש כדי להגן על אפיקי CAN מאפשרויות של תקלות כתוצאה מהפרשי פוטנציאל הארקה בין תת-מערכות, מקורות רעש כלליים כגון אנרגיית אופן-משותף (CM) ואנרגיה מוקרנת, ורעש ושיאי מתח-גבוה על אפיק פילוג הספקת-הכוח.

כפי שהוצג, אפשרויות הבידוד עבור מערכות אפיק CAN כוללות פתרונות בדידים שבהם הכוח והאותות מבודדים בנפרד, כמו גם פתרונות בידוד כוח ואותות משולבים-במלואם, היכולים גם לכלול פונקציות הגנה קשורות העשויות לאפשר את השימוש בהם ביישומי כלי-רכב ותעשייה ללא התקני הגנה נוספים, כגון דיודות משככים.

המלצות לקריאה נוספת

1: כיצד לבחור את טכנולוגיית הבידוד הגלווני הנכונה עבור חיישני IoT

2: יישום שיפורי אפיק ה- CAN האחרונים עבור תקשורת מאובטחת במהירות גבוהה בכלי-רכב