Керамические ограничители бросков напряжения TDK­-EPCOS для шин CAN и FlexRay

Опубликовано в номере:
PDF версия
В рамках статьи в виде общего обзора представлены примеры приложений устройств CTVS компании EPCOS для шин данных с акцентом на новые типы многослойных варисторных сборок. Кроме того, рассмотрены компоненты CTVS, которые предназначены для решения проблемы ЭМС систем, использующих интерфейсный обмен данными.

Во всех высокотехнологичных системах современного автомобиля применяется CAN-протокол или высокоскоростной сетевой протокол FlexRay, представляющие собой современное надежное решение для организации связи блока управления с дополнительными устройствами. Так, в некоторых автомобилях CAN связывает иммобилайзер, предназначенный для блокирования транспортного средства (чтобы не допустить к его управлению посторонних лиц, в том числе при попытках угона), а также приборные панели, системы пассивной безопасности и современные системы помощи водителю, работающие в реальном времени на базе видеоаналитики и данных от навигационной системы. Учитывая, что протокол CAN ISO 15765-4 вошел в состав стандарта OBD-II (on-board diagnostics), определяющего требования по диагностике транспортного средства с полным контролем двигателя, мониторингом внутренних частей салона и дополнительных устройств, а также диагностики сети управления автомобилем, здесь особенно остро стоит вопрос уязвимости таких шин передачи данных. Чтобы избежать возможных проблем, все линии связи должны быть надлежащим образом защищены по отношению к кондуктивным (наведенным) электромагнитным помехам (ЭМП) и воздействию электростатических разрядов и не создавать помех для функционирования оборудования. Другими словами, необходимо выполнить жесткие требования по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Требования по устойчивости к внешним воздействиям определены и указаны в соответствующих стандартах на конкретный тип оборудования, в том числе и для интерфейсных шин в автомобильных приложениях, выпущенных OEM-производителями. Проблема защиты усугубляется и тем, что шина CAN (Controller Area Network, CAN) мигрирует из своей традиционной автомобильной области применения, для которой она, собственно, и разработана, в индустриальную [1], где требования по ее устойчивости к внешним воздействиям столь же жестки, а их реализация весьма непроста. Это довольно обширная тема, предполагающая отдельное обсуждение, что не входит в цели настоящей статьи. Для получения более детальной информации по данному вопросу можно обратиться, например, к [2, 3].

Как уже было сказано, в критических ситуациях, возникающих при эксплуатации транспортного средства, современные автомобили все больше полагаются на электронику. Таким образом, существует растущая потребность обеспечить ее функционирование без сбоев в присутствии помех и не создавать помех другим системам внутри транспортного средства. Первая проблема, с которой мы сталкиваемся при выборе элемента защиты и которую необходимо учитывать при выборе решения, обеспечивающего защиту, — уровень воздействующей помехи, подлежащей ограничению. Вторая — минимальное вмешательство элементов защиты в структуру полезного сигнала. Третья — удобство реализации решения.

Если мы обратимся к [4], то наш выбор по большому счету ограничится двумя вариантами: многослойными варисторами (Multilayer varistor, MLV) и полупроводниковыми приборами, или TVS-диодами (Transient Voltage Suppressor, TVS), специально разработанными для подавления выбросов напряжения. Что касается TVS-диодов, они подробно рассмотрены в [4], и если принимать во внимание диоды специального назначения — это оптимальный вариант для высокоскоростных линий связи, преимущественный по отношению к обычным варисторам. Однако, когда дело касается автомобильной промышленности и не столь скоростных в современном представлении шин, как CAN и FlexRay, то на сцену выходит еще один игрок — керамический ограничитель бросков напряжения (Ceramic Transient Voltage Suppressor, CTVS) [5], созданный компанией EPCOS. В объемном портфеле предложений CTVS имеются не только многослойные варисторы для обычных применений, но специально адаптированные приборы для нужд автомобильной индустрии, предназначенные для защиты шин данных CAN и FlexRay.

Что касается компании EPCOS, это один из лидеров на европейском рынке и производитель пассивных электронных компонентов, которые обеспечивают самый высокий стандарт защиты от электростатического разряда (Electrical Static Discharge, ESD). Благодаря прошедшей в 2008 году консолидации компаний TDK и EPCOS клиентам открылся и широкий доступ к портфелю с предложением катушек индуктивности, в том числе и синфазных дросселей от TDK. Это позволило создавать полные и надежные решения по электромагнитной совместимости (ЭМС) не только для отдельных частей оборудования, но и для высокоскоростных шин данных. Помимо одночиповых варисторов, клиентам компаний предлагаются варисторные сборки, которые сочетают комплексную защиту от воздействия разрядов статического электричества и эффективное подавление ЭМП [6].

 

Решение вопросов защиты высокоскоростных шин CAN и FlexRay

В настоящее время шины CAN и FlexRay являются основными высокоскоростными системными шинами, развернутыми в рамках автомобильных приложений. Высокоскоростная шина CAN обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с, FlexRay — до 10 Мбит/с, а использование таких шин данных в критических для функционирования системах автомобиля, влияющих на безопасность вождения, накладывает не только требования по гарантии непосредственно их защиты от наведенных помех в виде бросков напряжения, но и по электромагнитной совместимости со всем остальным оборудованием автотранспортного средства.

Типичная схема защиты от разрядов статического электричества высокоскоростных шин CAN с использованием решения на базе двух отдельных варисторов

Рис. 1. Типичная схема защиты от разрядов статического электричества высокоскоростных шин CAN с использованием решения на базе двух отдельных варисторов

Защита от разрядов статического электричества

События, связанные с воздействием разрядов статического электричества из внешних источников, как правило, непредсказуемы и могут легко превышать минимальный уровень защиты от электростатического разряда полупроводниковых компонентов, обычно используемых для предохранения приемников и передатчиков шинных интерфейсов. В этой части требования по ЭМС установлены международным стандартом IEC 61000-4-2 [2, 3]. Для рассматриваемого случая для всех узлов системных шин, особенно при их подключении к внешним интерфейсам, рекомендуется степень жесткости 4, устанавливающая норматив по воздушному разряду на уровне 15 кВ и прямому разряду 8 кВ. Создать такую степень защиты с помощью обычных TVS-диодов может быть затруднительным. Но даже столь высокая степень защиты обеспечивается с одночиповыми MLV-варисторами, а еще более эффективно — с варисторными сборками, содержащими два варистора с общим заземлением в одном корпусе и выполненными как единый компонент [6]. Примеры реализации такой защиты от электростатического разряда показаны на рис. 1, 2. На рис. 1 представлена типичная схема защиты от разрядов статического электричества высокоскоростных шин CAN с использованием решения на базе двух отдельных MLV-варисторов CT0603S14AHSG [7]. А на рис. 2 — типичная схема защиты для высокоскоростных шин CAN, выполненная на базе варисторной матрицы CA05M2S10T100HG [7] в виде двух MLV-варисторов и конденсаторов емкостью 10 пФ. По отношению к обычным TVS-диодам оба использованных элемента имеют достаточно высокий рейтинг по току. Они рассчитаны на импульсные токи до 5 А (8/20 мкс).

Типичная схема защиты для высокоскоростных шин CAN с интегральным решением защиты от разряда статического электричества в виде варисторной сборки

Рис. 2. Типичная схема защиты для высокоскоростных шин CAN с интегральным решением защиты от разряда статического электричества в виде варисторной сборки

Соответствие требованиям в части ЭМС

Рассматриваемые нами многослойные варисторы, предлагаемые TDK-EPCOS, помимо обеспечения высокого уровня защиты от разряда статического электричества, предлагают дополнительные преимущества, которые помогают решать вопросы по электромагнитной совместимости. В частности, они могут обеспечить более высокие требования по устойчивости к помехам от высокочастотных сигналов, что является критическим фактором для таких высокоскоростных шин, как, например, FlexRay. [1]

Многослойные варисторы соответствуют самым высоким требованиям стандартов в части обеспечения помехоустойчивости к высокочастотным наводкам благодаря присущей им высокой линейности вольт-амперных характеристик (ВАХ). Они не оказывают воздействия на системные шины, которые их просто не замечают, в то время как полупроводниковые диоды-супрессоры могут вызывать потерю мощности полезного сигнала из-за нелинейности ВАХ [4] и повлиять на помехоустойчивость.

С этой целью разработчиками TDK-EPCOS проведена проверка воздействия TDK-EPCOS на устойчивость CAN-трансиверов к влиянию электромагнитных помех [6]. Здесь подразумевается их помехоустойчивость при передаче сигналов по шине данных при воздействии высокочастотной помехи на выводы транси-вера непосредственно, по линиям передачи данных, работающим как приемные антенны. Указанный эффект можно смоделировать методом прямого введения мощности (Direct Power Injection test, DPI) в соответствии со стандартом IEC 62132-4 [8]. В ходе этой процедуры имитирующий синфазную помеху испытательный ВЧ-сигнал мощностью 4 Вт (36 дБм) накладывается на полезный сигнал, проходящий по линиям CAN, при этом производится контроль работы трансивера, то есть отслеживаются ошибки приема или передачи данных.

На рис. 3 показаны сравнительные измерения, проведенные по методу прямого введения мощности сигнала помехи. В этом примере измерения осуществлялись для трансивера высокоскоростной шины CAN с варистором CT0603S14AHSG [7]. Результаты демонстрируют хорошую помехоустойчивость трансиверов к высокочастотным помехам с применением для их защиты многослойных варисторов. Требования в части контрольных уровней в тесте DPI полностью выполнены, в то время как при использовании полупроводникового TVS-диода требования по предельно допустимым уровням восприимчивости к высокочастотным помехам не выполняются.

Результаты сравнительного измерения влияния элементов ESD­защиты на восприимчивость к ВЧ­помехам CAN­трансивера, проведенного в режиме прямого воздействия сигнала помехи

Рис. 3. Результаты сравнительного измерения влияния элементов ESD­защиты на восприимчивость к ВЧ­помехам CAN­трансивера, проведенного в режиме прямого воздействия сигнала помехи

Как видно из рисунка, в области частот до 3 МГц устойчивость к ВЧ-помехам при применении MLV-варисторов меньше, чем при использовании TVS-диода. То, что мы наблюдаем в районе частоты 3 МГц, связано с тем, что указанный диапазон частот слишком близок к частотному диапазону передачи данных по шине CAN. Здесь устойчивость определяется свойствами самого трансивера и не связана с влиянием предлагаемого решения, выше этой области устойчивость к внешним высокочастотным воздействиям — идеальна, и введение в схему MLV-варисторов также незаметно.

Комбинированное решение для шины FlexRay

Что касается FlexRay, здесь идеальная комбинация фильтрации электромагнитных помех и защиты от электростатического разряда для высокоскоростных шинных систем может быть достигнута благодаря использованию еще одного интересного компонента — согласованной по емкости варисторной матрицы (Matched Capacitance Varistor Array, MCVA), тоже предлагаемой TDK-EPCOS. Подобно описанным ранее сборкам, они состоят из двух варисторов с общим основанием (рис. 4а), с той лишь разницей, что если собственная емкость варистора обычно рассматривается как некая неизбежная паразитная величина [4], то емкость MCVA специально устанавливается на более высокие значения и с высокой точностью, а это, учитывая технологию изготовления многослойных варисторов, сделать не так уж просто. Тем не менее TDK-EPCOS удалось решить подобную проблему.

Особенности варисторной матрицы MCVA: схема с согласованной емкостью и модель фильтрации электромагнитных помех с согласованными емкостями

Рис. 4. Особенности варисторной матрицы MCVA:
а) схема с согласованной емкостью;
б) модель фильтрации электромагнитных помех с согласованными емкостями C1 и C2

Преимущества MCVA в том, что эти приборы могут действовать еще и как фильтр для подавления нежелательных собственных радиочастотных излучений, что исключает необходимость в дополнительных конденсаторах для фильтрации помех, лежащих в области высоких частот (рис. 4б). Благодаря достаточно точному согласованию емкостей C1 и C2 (в этом состоит особенность MCVA) удается избежать перекрестных высокочастотных помех между линиями шины данных. Указанное в спецификации отклонение ∆C определяется как ∆C = |C1–C2|/min{C1, C2}. Для серийных MCVA типовое значение отклонения ∆Ctyp = 1%, а максимальное отклонение ∆Cmax не превышает 3%.

Когда MCVA напрямую подключается на выводы трансивера FlexRay (рис. 5), конденсатор заземления CS шинного окончания FlexRay оказывается подключенным последовательно с каждым собственным согласованным конденсатором MCVA. Таким образом, заземляющий конденсатор уменьшает паразитную емкость относительно «земли», а согласованные емкости C1 и C2 MCVA (в этом примере использовался вариант исполнения MCVA CA05M2S14T101HG с согласованной емкостью 2×100 пФ) обеспечивают эффективную фильтрацию собственных ЭМП линий шины данных, что особенно заметно для диапазона частот 100–200 МГц.

Пример применения варисторных матриц с согласованными емкостями как неотъемлемой части сплит­-терминации FlexRay-­трансивера

Рис. 5. Пример применения варисторных матриц с согласованными емкостями как неотъемлемой части сплит­-терминации FlexRay-­трансивера

Если говорить о влиянии такого решения на устойчивость FlexRay-трансиверов к воздействию электромагнитных помех, то разработчиками TDK-EPCOS была проведена соответствующая сравнительная проверка [6]. Результаты проверки, также выполненной методом DPI, демонстрируют малое влияние предлагаемого решения. Искажения сигнала, показанные на рис. 6, при введении в цепь сплит-терминации MCVA (рис. 5) почти аналогичны искажениям, вносимым непосредственно самим трансивером без схемы защиты. Для сравнительных испытаний применялась матрица CA05M2S14T101HG [6] типоразмера 0508 с согласованными конденсаторами емкостью 2Ѕ100 пФ.

Результаты сравнительного измерения влияния ESD-защиты, выполненной на базе MCVA, на восприимчивость к ВЧ-помехам для FlexRay-трансивера

Рис. 6. Результаты сравнительного измерения влияния ESD-защиты, выполненной на базе MCVA, на восприимчивость к ВЧ-помехам для FlexRay-трансивера. Измерение проведено в режиме прямого воздействия сигнала помехи

Что касается выполнения требований в части ЭМС по собственному излучению, то представленные на рис. 7 результаты измерения ВЧ-излучения показывают, что применение матриц MCVA никоим образом не приводит к дополнительной радиочастотной эмиссии. Более того, присущие системе радиопомехи, в частности лежащие в диапазоне 100–200 МГц, будут отфильтрованы, что улучшает характеристики шины FlexRay по радиочастотному излучению.

Результаты сравнительного измерения влияния MCVA на радиочастотную эмиссию

Рис. 7. Результаты сравнительного измерения влияния MCVA на радиочастотную эмиссию

На рис. 8 показаны кривые измерения тока ESD-разряда, демонстрирующие его подавление с помощью согласованных емкостных варисторных матриц. Как можно видеть, при применении MCVA токи разряда 2, 4 и 8 кВ будут уменьшены до нуля с минимальными пиками, не превышающими 2 А. В данном тесте также использовалась матрица MCVA с согласованными конденсаторами емкостью 2×100 пФ.

Кривые измерения тока ESD-разряда, демонстрирующие его подавление с помощью согласованных емкостных варисторных матриц

Рис. 8. Кривые измерения тока ESD-разряда, демонстрирующие его подавление с помощью согласованных емкостных варисторных матриц

Помимо защиты от ЭМП и разрядов статического электричества (уровень защиты от ESD не менее 15 кВ), многослойные варисторы и матрица выдерживают импульсы, возникающие при сбросе нагрузки (27 В/0,3 с), а также импульсы напряжения запуска двигателя (до 28 В/60 с). К тому же они двунаправленные и квалифицированы на основе AEC-Q200. Все это в целом делает варисторные матрицы MCVA и многослойные MLV-варисторы весьма подходящим компонентом в решениях защиты, предназначенных для автомобильных приложений.

Литература
  1. Джи Р. CAN против RS‑485: почему тенденция направлена в сторону CAN // Компоненты и технологии. 2018. № 1.
  2. Рентюк В. Что нужно знать по испытаниям на выполнение требований по ЭМС для изделий коммерческого назначения // Компоненты и технологии. 2017. № 7.
  3. Зауэрвальд М. Десять советов для успешного проектирования автомобильной электроники с выполнением требований по ЭМС/ЭМП // Компоненты и технологии. 2016. № 5.
  4. Рентюк В. Преимущества, особенности применения и проблема выбора кремниевых защитных элементов для высокоскоростных интерфейсов // Компоненты и технологии. 2017. № 10.
  5. Ceramic transient voltage suppressors, CTVS. TDC, Application notes, July 2014.
  6. Ceramic Transient Voltage Suppressors: Combined EMI Filtering and ESD Protection for High-Speed Bus Systems, EPCOS Product Brief 2012, EPCOS AG A Member of TDK-EPC Corporation.
  7. CTVS — Ceramic transient voltage suppressors SMD multilayer varistors (MLVs), automotive E seriesEPCOS AG is a TDK Group Company. February 2016.
  8. Abhijeeth Aarey. Signal Chain Basics #125: Automotive immunity requirements for CAN transceivers. Planet Analog, 6/16/2017

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *