Izolare galvanică

Ilustrație conceptuală a unei interfețe CAN cu izolare galvanică, izolator digital și modul de alimentare izolat.

Interfețele CAN sunt utilizate pe scară largă în sectoarele auto și industrial și necesită, în general, izolare galvanică. Acest articol prezintă o modalitate simplă de realizare a unei interfețe CAN folosind un izolator digital cu două canale și un modul de alimentare izolat.

Magistrala CAN este utilizată frecvent în aplicații auto și industriale. O interfață CAN izolată poate fi implementată cu ușurință folosind un izolator digital cu două canale și un modul de alimentare izolat. Această soluție reduce atât numărul de componente, cât și spațiul necesar pe placa de circuit imprimat. Soluția a fost testată la o rată de transfer de date de 1 Mbit/s și îndeplinește cerințele standardului CISPR 32 pentru clasa B privind emisiile electromagnetice. Diagrama bloc a circuitului este prezentată în figura 1.

Protocolul CAN pe scurt

CAN (Controller Area Network) este un protocol de comunicație specializat care permite schimbul eficient și fiabil de informații între mai multe dispozitive electronice. A fost dezvoltat inițial pentru aplicații auto, unde sistemele de control al motorului, de frânare și de airbaguri trebuie să comunice între ele. Astăzi, însă, este utilizat și într-o gamă largă de aplicații din afara industriei auto.

Figura 1: O interfață CAN izolată poate fi implementată cu ușurință folosind un izolator digital cu două canale și un modul de alimentare izolat. (© Würth Elektronik)

CAN este unul dintre cele mai utilizate protocoale de comunicație la nivel mondial și este apreciat pentru simplitatea, fiabilitatea și eficiența sa. Este cunoscut pentru robustețea și capacitatea de comunicare în timp real, permițând comunicarea fluentă între sistemele electronice în numeroase aplicații, inclusiv automatizarea și controlul industrial, electronica auto, sistemele de transport, automatizarea clădirilor, gestionarea energiei și rețelele inteligente.

Ce avantaje oferă CAN?

Conectarea mai multor dispozitive

Spre deosebire de sistemele de comunicație care necesită o conexiune separată pentru fiecare dispozitiv, magistrala CAN permite conectarea mai multor dispozitive prin aceleași două conductoare de semnal. Astfel, sistemul este mai simplu, mai economic și mai ușor de întreținut.

Transmisie diferențială pentru imunitate la interferențe

Prin utilizarea transmisiei diferențiale a semnalelor, magistrala CAN oferă un nivel ridicat de imunitate la perturbațiile electrice. Această caracteristică o face potrivită pentru medii solicitante, cu niveluri ridicate de interferențe electromagnetice.

Arbitraj – acces la magistrală pe baza priorităților

Protocolul CAN utilizează un mecanism de arbitraj bazat pe priorități. Atunci când mai multe noduri încearcă să transmită simultan, mesajul cu prioritatea cea mai mare, indicată de o valoare mai mică a identificatorului (ID), câștigă accesul la magistrală. Celelalte noduri își amână transmisia, fără a afecta mesajul câștigător.

Detectarea erorilor

Protocolul CAN include mecanisme automate de detectare a erorilor și de limitare a efectelor acestora, contribuind la transmiterea fiabilă a datelor. Controlerele CAN verifică mesajele transmise pe magistrală. Dacă este detectată o eroare de transmisie, mesajul afectat este invalidat și retransmis automat.

Fiecare controler monitorizează erorile de transmisie și de recepție. Acumularea erorilor de transmisie poate determina trecerea nodului în starea “bus-off”, în care acesta nu mai participă la comunicarea pe magistrală, limitând astfel perturbarea celorlalte noduri. Aceste mecanisme contribuie la robustețea protocolului CAN în aplicații critice pentru siguranță.

Rata de transfer și distanța de comunicare

Într-o rețea CAN clasică, lungimea maximă a magistralei depinde de rata de transfer a datelor: ratele mai mici permit comunicarea pe distanțe mai mari. Valorile orientative prezentate în acest articol sunt:

1 Mbit/s → până la 40 m
500 kbit/s → până la 100 m
125 kbit/s → până la 500 m
50 kbit/s → până la 1 km

Importanța izolării galvanice a interfeței CAN

După cum s-a menționat anterior, comunicația CAN este fiabilă, iar transmisia diferențială a semnalelor contribuie la imunitatea la perturbații. Cu toate acestea, în multe aplicații, izolarea galvanică a interfeței CAN este esențială pentru protejarea dispozitivelor, menținerea unei comunicări stabile și prevenirea defecțiunilor sistemului. Principalele motive pentru utilizarea izolării în sistemele bazate pe CAN sunt prezentate în continuare.

Prevenirea buclelor de masă și limitarea efectelor diferențelor de potențial

În rețelele CAN mari sau complexe, nodurile pot avea potențiale de masă diferite. Aceste noduri sunt dispozitive electronice sau module conectate la magistrala CAN, prin intermediul căreia comunică între ele. Dacă între masele lor există mai multe căi conductive care formează un circuit închis, apar bucle de masă. Diferențele de potențial pot genera prin aceste bucle curenți nedoriți, care perturbă comunicarea și provoacă erori de transmisie.

Izolarea galvanică separă masa locală a fiecărui dispozitiv de masa circuitului conectat la magistrala CAN. Astfel, întrerupe calea conductivă care ar închide bucla de masă și reduce perturbările asociate, permițând comunicarea între dispozitive cu potențiale de masă diferite.

Protecția împotriva supratensiunilor și a fenomenelor tranzitorii

Rețelele CAN sunt expuse frecvent la vârfuri de tensiune cauzate de fluctuațiile alimentării în mediile industriale, de descărcările atmosferice în aplicațiile în aer liber sau de comutarea sarcinilor electrice de mare putere în instalațiile industriale și în vehicule. Aceste supratensiuni pot perturba comunicarea, pot deteriora componentele electronice sensibile și pot provoca defecțiuni ale sistemului.

Izolarea galvanică, în combinație cu dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor, precum diodele TVS, contribuie la protejarea circuitelor împotriva vârfurilor de tensiune și a fenomenelor tranzitorii. Această combinație sporește fiabilitatea întregului sistem și limitează transmiterea efectelor unei supratensiuni dintr-o parte în alta a barierei de izolare.

Imunitate la interferențe

În mediile cu motoare, invertoare, echipamente de sudură sau alte dispozitive electrice de mare putere, interferențele electromagnetice pot afecta semnalele CAN. Deși magistrala CAN utilizează transmisia diferențială a semnalelor, aceasta poate fi insuficientă în condiții severe de perturbare.

Izolarea galvanică reduce efectele perturbărilor asociate diferențelor de potențial dintre mase. Împreună cu filtrarea, ecranarea și o dispunere adecvată a componentelor și traseelor pe placa de circuit imprimat (PCB), aceasta contribuie la îmbunătățirea imunității sistemului la interferențele electromagnetice din mediile industriale și la menținerea integrității datelor.

Siguranța în exploatare

Figura 2: Sistem CAN tipic cu interfețe izolate galvanic și alimentare asigurată printr-un modul de alimentare izolat. (© Würth Elektronik)

Sistemele industriale trebuie să respecte standarde stricte de siguranță pentru a preveni pericolele electrice și defecțiunile echipamentelor. Atunci când dispozitivele dintr-o rețea CAN sunt interconectate fără izolare galvanică, diferențele neprevăzute de potențial sau perturbațiile electrice pot provoca deteriorarea componentelor, întreruperi ale comunicării sau chiar riscuri pentru siguranța operatorilor.

Izolarea galvanică limitează propagarea efectelor defecțiunilor electrice, reducând riscul ca defectarea unui singur echipament să afecteze întreaga rețea.
O izolare dimensionată și certificată corespunzător cerințelor aplicației poate proteja personalul și sistemele de control împotriva tensiunilor periculoase.
Izolarea galvanică sporește fiabilitatea sistemului, contribuind la menținerea unei comunicări stabile între senzori, controlere și actuatoare.

Figura 2 prezintă un sistem CAN tipic cu interfețe izolate galvanic și alimentate prin module izolate.

Proiectarea circuitului

Tabelul 1: Parametrii principali ai interfeței CAN izolate. *) Deși izolatorul digital 18012115411H asigură izolare de bază, placa de interfață CAN oferă doar izolare funcțională, deoarece modulul de alimentare izolat 1769205041 asigură doar acest nivel de izolare.

Pentru a demonstra funcționalitatea interfeței CAN izolate, a fost proiectată o placă de circuit imprimat cu patru straturi. Placa a fost testată pentru evaluarea emisiilor electromagnetice la o rată de transfer de date de 1 Mbit/s, folosind un cablu ecranat cu perechi răsucite, cu lungimea de 25 m, între placa de emisie și cea de recepție. Parametrii principali ai interfeței sunt prezentați în tabelul 1.

Organizarea plăcii

Figura 3 prezintă o vedere de sus a plăcii de circuit imprimat cu interfața CAN izolată. Pe placă pot fi identificate următoarele blocuri funcționale:

Paduri de conectare CANL și CANH: pentru conectarea liniilor magistralei CAN.
Filtre pentru liniile de date și diode TVS: filtrare de radiofrecvență (RF) și protecție împotriva supratensiunilor.
Rezistențe de terminare: asigură adaptarea corespunzătoare a impedanței magistralei.
Transceiver CAN (capsulă SOIC-8NB): asigură interfața fizică cu magistrala CAN.
Izolator digital cu două canale (capsulă SOIC-8NB, izolare de bază): asigură izolarea semnalelor.
Modul de alimentare izolat de 1 W (capsulă SMT-8, izolare funcțională): asigură alimentarea izolată.
Filtru pentru alimentarea în curent continuu (DC): filtrează perturbațiile de pe linia de alimentare de intrare.
Conector cu borne cu șurub: permite conectarea sursei de alimentare.
Conectori SMA: pentru semnalele interfeței CAN. Conectorii SMA de mare viteză permit aplicarea pe placă a unui semnal de test provenit de la un generator de semnal. Această configurație simulează, la nivelul plăcii, o sursă de semnal cu referință la masă (single-ended), care aplică semnalul la intrarea izolatorului digital.

Figura 3: Interfață CAN izolată pe o placă de test, cu blocurile funcționale marcate. (© Würth Elektronik)

Figura 4 prezintă schema electrică a plăcilor de emisie și recepție utilizate la testarea emisiilor radiate. Diferențele dintre plăci sunt descrise în secțiunea 6.1 a notei tehnice SN028 de la Würth Elektronik ^[1].

R1, R2 și C10 formează un circuit de terminare divizată (split termination), utilizat frecvent în comunicația CAN.
C8 și C9 sunt condensatoare de filtrare a semnalelor, ale căror valori sunt alese în funcție de lungimea liniei și rata de transfer a datelor.
R4 este o rezistență de terminare necesară doar pe placa de emisie.
R3 și R5 configurează transceiverul CAN pentru funcționarea în modul de emisie sau de recepție. Se montează un singur rezistor dintre cele două: R3 pentru modul de recepție, doar pe placa de recepție, sau R5 pentru modul de emisie, doar pe placa de emisie. În aplicațiile practice, selectarea modului este realizată, de regulă, prin nivelul logic (1 sau 0) al unui pin al microcontrolerului.

Componente cu izolare galvanică

Figura 4: Schema electrică a plăcilor de emisie și recepție CAN izolate galvanic. (© Würth Elektronik)

Izolator digital

Modelul 18012115411H ^[2] este un izolator digital cu două canale (U2), în capsulă SOIC-8NB, care asigură izolare de bază. Acesta are o configurație a canalelor de tip 1/1, cu un canal pentru fiecare sens de transmisie, esențială pentru funcționarea corectă a interfeței CAN izolate. Un canal transmite datele de la microcontroler (MCU) către transceiver, care le transmite mai departe pe magistrala CAN. Celălalt canal transmite către MCU datele preluate de transceiver de pe magistrala CAN.

Modul de alimentare izolat

Modulul de alimentare izolat 1769205041 ^[3] (U1) asigură izolare funcțională. Acesta este disponibil într-o capsulă SMT-8 și furnizează la ieșire o putere de până la 1 W, la o tensiune de 5 V și un curent de 0,2 A. Nivelul ridicat de integrare, care include etajul de putere, circuitul de control, transformatorul și condensatoarele de intrare și de ieșire, reduce semnificativ numărul de componente discrete necesare, economisind spațiu pe placa de circuit imprimat.

Modulul funcționează fără componente externe, ceea ce simplifică proiectarea și reduce efortul de dezvoltare. În plus, modelul 1769205041 oferă protecție împotriva scurtcircuitelor de durată, contribuind la creșterea fiabilității.

Detaliile privind selecția componentelor depășesc scopul acestui articol; subiectul este tratat pe larg în nota tehnică SN028 de la Würth Elektronik ^[1].

Reducerea perturbațiilor de mod comun prin cuplaj capacitiv între straturile PCB

Modulul de alimentare izolat (U1) și izolatorul digital (U2) asigură izolarea galvanică între intrarea și ieșirea sistemului. Totuși, capacitatea parazită de cuplaj prin bariera de izolare permite circulația curenților de mod comun, astfel încât izolatorul și modulul de alimentare pot deveni surse de perturbații de mod comun.

Pentru a reduce aceste perturbații, proiectanții utilizează de obicei un condensator extern de tip Y între intrare și ieșire. O alternativă este utilizarea capacității de cuplaj dintre straturile PCB (stitching capacitance) pentru a crea o cale de retur pentru curenții de mod comun de înaltă frecvență, similară celei oferite de un condensator de tip Y. Această metodă creează o cale de retur pentru curenții de mod comun de înaltă frecvență, contribuind la reducerea interferențelor electromagnetice fără componente suplimentare.

În acest exemplu de proiectare, placa de circuit imprimat are patru straturi. Capacitatea de cuplaj rezultă din suprapunerea zonelor de cupru de pe straturi diferite, separate de materialul dielectric al plăcii. Zonele utilizate se află între stratul interior 1 și stratul interior 2, respectiv între stratul interior 2 și stratul inferior. Structura straturilor și zonele care contribuie la această capacitate sunt prezentate în figura 5.

Calculul capacităților de cuplaj este descris în detaliu în nota tehnică SN028 de la Würth Elektronik ^[1]. Lista de materiale (BOM), fișierele Gerber și schema electrică sunt disponibile în pachetul de fișiere de proiectare al interfeței ^[4].

Emisiile radiate ale interfeței CAN izolate

Rezultatele măsurătorilor emisiilor radiate ale interfeței CAN, împreună cu descrierea configurației de testare și lista de materiale, sunt prezentate în nota tehnică SN028 de la Würth Elektronik ^[1], disponibilă gratuit.

Despre autor

Artem Beliakov a obținut diploma de master în inginerie la Institutul de Inginerie Energetică din Moscova (Universitatea Tehnică). Ulterior, a lucrat timp de mai mulți ani ca inginer de aplicații (FAE), sprijinind clienții în dezvoltarea convertoarelor electronice de putere. Artem lucrează la Würth Elektronik din 2020. În calitate de manager de marketing de produs, este responsabil pentru gama de izolatoare digitale, asistența tehnică pentru clienți, planificarea dezvoltării gamei de produse și lansarea pe piață a noilor produse.

Referințe

^[1] Beliakov, A.: Isolated CAN interface based on a 2-channel digital isolator and an isolated power supply module. Nota tehnică SN028 de la Würth Elektronik: www.we-online.com/SN028
^[2] WPME-CDIS digital isolators de la Würth Elektronik:www.we-online.com/en/components/products/DIGITAL-ISOLATORS-WPME-CDIS
^[3] MagI³C-FISM isolated power modules de la Würth Elektronik: www.we-online.com/en/components/products/MAGIC-FISM
^[4] Lista de materiale (BOM), fișiere Gerber și schema electrică disponibile pentru descărcare: www.we-online.com/SN028

Würth Elektronik

Glosar de termeni

Protocol CAN (Controller Area Network) — Reguli pentru schimbul de mesaje între dispozitive, stabilirea priorităților și detectarea erorilor.

Magistrală CAN — Mediul comun de comunicație al rețelei, care utilizează conductoarele de semnal CANH și CANL.

Interfață CAN — Circuitele prin care un dispozitiv se conectează la magistrala CAN.

Transceiver CAN — Circuit care transmite și recepționează semnalele electrice de pe magistrală.

Izolare galvanică — Separarea electrică a două circuite, fără conexiune conductivă directă, permițând transferul semnalelor sau al energiei.

Izolare funcțională — Izolare necesară funcționării circuitului, fără rol de protecție împotriva șocurilor electrice.

Perturbații de mod comun — Perturbații care afectează în același sens conductoarele de semnal față de masă.

Terminare divizată (split termination) — Configurație cu două rezistoare și un condensator, utilizată pentru adaptarea impedanței și reducerea perturbațiilor.

Diodă TVS — Componentă care limitează supratensiunile tranzitorii pentru protejarea circuitelor.

Capacitate de cuplaj între straturi (stitching capacitance) — Capacitate formată între zone de cupru suprapuse pe straturi diferite ale plăcii, utilizată pentru reducerea perturbațiilor de mod comun.