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Hay tres componentes principales en un nodo de CAN-bus:
El controlador CAN-bus implementa todas las características de bajo nivel del protocolo de red, ISO 11898–1, mientras que el transceptor se comunica con la capa física. Se requieren diferentes transceptores para diferentes capas físicas, como can de alta velocidad, can tolerante a fallos de baja velocidad o can de alta velocidad con tasa de datos variable.
En una implementación típica, el controlador CAN-bus y el microprocesador se unifican en un microcontrolador habilitado para CAN. En el mercado están disponibles controladores CAN-bus externos con interfaz SPI, principalmente fabricados por Microchip, pero a menudo pueden agregar costos y complejidad innecesarios.
En este artículo, echaremos un vistazo al diseño de circuitos desde el transceptor hasta el conector del bus CAN. ¡Es hora de ensuciarnos las manos y diseñar nuestra circuitería CAN-bus!
Todos los transceptores CAN-bus operan de manera similar, ya que se sitúan entre el microcontrolador (o FPGA) que implementa el controlador CAN-bus y el propio CAN-bus. Sin embargo, hay algunas diferencias que deberías considerar cuidadosamente.
Una búsqueda rápida en la categoría adecuada de Octopart revela que los principales fabricantes de transceptores CAN-bus son, en orden descendente por la cantidad de ICs ofrecidos, NXP Semiconductors, Microchip, Texas Instruments, Maxim Integrated, Analog Devices y ST Microelectronics.
Todos estos transceptores se parecen, pero todos difieren en sus características y rendimiento.
Los primeros transceptores CAN-bus en el mercado incluían muy poca protección contra eventos de ESD (Descarga Electroestática). Requerían que toda la protección de E/S se implementara con componentes externos.
Afortunadamente, este ya no es el caso. Aquí hay algunos ICs aleatorios y su tolerancia ESD HBM (Modelo de Cuerpo Humano) en los pines del bus:
Número de Parte |
Fabricante |
Tolerancia ESD HBM |
ST Microelectronics |
6kV |
|
Infineon |
6kV |
|
NXP Semiconductor |
8kV |
|
Linear Technology |
25kV |
|
Maxim Integrated |
22kV |
Una mayor tolerancia al ESD puede permitirte ahorrar en protección externa, pero debes ser consciente de que unos pocos centavos adicionales gastados en diodos TVS de calidad pueden mejorar drásticamente la fiabilidad.
Si tu aplicación tiene limitaciones de espacio y no tienes que lidiar mucho con ESD, entonces la solución todo en uno es el camino a seguir. En mi caso, opté por un TVS externo y un transceptor más asequible.
La mayoría de los transceptores en el mercado operan a 5V, pero los IC diseñados para 3.3V son extremadamente populares también. Voltajes de alimentación más bajos no son posibles sin recurrir al uso de convertidores dc-dc. Algunos IC, como el MAX14883E de Maxim Integrated, incluyen una entrada de suministro de nivel lógico que permite la interoperabilidad con dispositivos de 1.8V independientemente del suministro del transceptor.
En mi caso, mi MCU opera a 3.3V, así que también elegiré esto para los transceptores CAN-bus.
Todos los transceptores CAN-bus de alta velocidad pueden operar hasta 1Mbps en redes pequeñas. Los transceptores CAN-FD pueden operarse hasta 5Mbps, pero muchos de ellos están limitados a velocidades más bajas como 2Mbps.
La tasa de datos final del sistema estará limitada por la capacitancia del bus, la asignación de identificadores del bus CAN y el tipo de tramas CAN que se transmitan. El peor escenario suele ser una tasa de baudios efectiva de un tercio del máximo.
Un transceptor de bus CAN aislado puede ser necesario ya sea por requisitos de seguridad. Por ejemplo, introducir aislamiento galvánico puede proteger la parte de baja tensión de tus circuitos en caso de que el bus entre en contacto con voltajes peligrosos. El mismo aislamiento también puede mejorar la comunicación al romper los bucles de tierra y permitir diferencias más sustanciales en el potencial de tierra entre nodos.
Por supuesto, los transceptores de bus CAN aislados requerirán una fuente de alimentación igualmente aislada.
Muchos transceptores incluyen una entrada de selección de modo que se puede usar para poner el CI en bajo consumo de energía y apagar el transmisor. Típicamente, el receptor permanece activo, y el pin RXD se puede usar para activar una interrupción de despertar en el microcontrolador.
La entrada de selección de modo a veces se duplica como control de pendiente cuando se tira hacia arriba o hacia abajo a través de una resistencia de al menos unos pocos kOhm. Reducir la pendiente de la señal, aunque puede limitar el ancho de banda, permite al transceptor restringir la cantidad de interferencia electromagnética que produce.
Todos los transceptores compatibles con ISO 11898–2 deben ser capaces de soportar voltajes de CC en CANH y CANL entre -3V y +32V respecto a tierra sin romperse, soportar transitorios de -150V a 100V, y ser capaces de operar con un voltaje de bus de modo común entre -2V y +7V.
Prácticamente todos los circuitos integrados en el mercado superan estos requisitos, con un concurso informal sobre quién puede mostrar los números más significativos ocurriendo en segundo plano.
Aquí hay algunos ejemplos:
Número de Parte |
Fabricante |
Voltaje de CC en CANH y CANL |
ST Microelectronics |
-5V a +36V |
|
Infineon |
-40V a +40V |
|
NXP Semiconductor |
-58V a +58V |
|
Linear Technology |
+60V a +60V |
|
Maxim Integrated |
+63V a +63V |
Los voltajes por encima de 50V son ahora estándar, ya que muchos vehículos cuentan con trenes de potencia híbridos que operan a 48V, y el transceptor debe ser capaz de soportar un cortocircuito del bus a la línea de suministro de voltaje más alto del sistema.
No hay reglas estrictas sobre cuántos nodos puedes incluir en una red, pero uno de los parámetros más críticos será la impedancia de entrada entre CANH y CANL en tu transceptor.
Una alta impedancia de entrada tendrá una influencia marginal en el bus y permitirá un mayor número de nodos.
Algunos transceptores implementan extensas características de protección, tales como:
La mayoría de los transceptores CAN-bus incluyen un modo de solo escucha que retroalimenta el TXD al RXD sin realmente controlar el bus. Esta característica se utiliza a menudo para determinar automáticamente la tasa de baudios del bus.
En mi diseño, opté por un TJA1051, principalmente porque soy ahorrativo, y es uno de los CI más asequibles del mercado. La página del producto se puede encontrar aquí.
Usando el panel de "Búsqueda de Partes del Fabricante", encontré inmediatamente los modelos del componente, completos con huella y 3D, y los coloqué en el esquemático. El modelo se descargó automáticamente de las bibliotecas en la nube de Altium 365™.
No necesito mencionar que necesitaremos condensadores de desacoplo locales, ¿verdad?
Además, algunos condensadores de valores pequeños adicionales, típicamente de 40 a 100pF en las líneas CANH y CANL y conectados a tierra, pueden ayudar a absorber la energía ESD y mejorar la resiliencia EMI. Como siempre, con el aumento de la capacitancia del bus viene la disminución de la velocidad del bus, el aumento de la carga de la etapa de salida del transceptor y el aumento del consumo de energía.
El bus CAN debe terminarse en cada extremo con una resistencia de 120 ohmios. Por supuesto, podríamos calcular correctamente la potencia (1/4W estándar, 1/2W si somos paranoicos), colocar nuestra linda pequeña resistencia y dar por terminado el día. Pero, ¿por qué hacer las cosas simples?
Una técnica más sofisticada, adoptada en casi todas las placas CAN-bus probadas en la industria que he visto hasta ahora, es la terminación dividida.
En la terminación dividida, se utilizan dos resistencias de 60 ohmios en serie, sumando un total de 120 ohmios. El nodo eléctrico entre las dos resistencias se conecta a tierra a través de un capacitor, usualmente de 4.7nF.
El valor del capacitor ha sido calculado para obtener una frecuencia de corte de -3db en la frecuencia fundamental de la red.
En mi caso, la red debería tener una tasa de baudios de 1mbit/s. Asumiendo el peor escenario, cuando la red está transmitiendo una secuencia de bits alternos (01010101) la señal será una onda cuadrada de frecuencia 500kHz, o igual a la mitad de la tasa de baudios.
Sabiendo que la resistencia es de 60 ohmios, podemos calcular el capacitor.
Si tenemos que aproximar el valor de nuestro capacitor, uno ligeramente más pequeño interferirá menos con nuestra preciada señal. Por lo tanto, 4.7nF, que es el valor más ampliamente adoptado.
Si necesitas una biblioteca de componentes pasivos, recomiendo de todo corazón la Celestial Library de Mark Harris. Es gratuita, extensa y cuidadosamente curada.
Si su sistema no está sujeto a fuertes descargas electrostáticas (ESD), la protección incluida en el circuito integrado del transceptor podría ser todo lo que se necesita.
Los diodos TVS (Supresor de Voltaje Transitorio) son una elección común debido a su baja capacitancia paralela equivalente.
Otros dispositivos de protección contra sobrevoltaje, como los MOVs, a menudo tienen una alta capacitancia parásita que puede limitar las tasas de datos del bus, especialmente en buses con muchos nodos.
Varios diodos TVS especialmente diseñados para CAN-bus están disponibles en el mercado, por ejemplo, NUP2105L de ON Semiconductor, el cual he decidido emplear en este diseño.
En cuanto al transceptor, coloqué el modelo con un clic desde las bibliotecas de Altium 365 usando el panel de Búsqueda de Partes del Fabricante, sin tener que dibujar el símbolo esquemático y el footprint.
Si su circuito estuviera sin protección, toda la corriente EMI iría directamente a su transceptor desde su conector, y luego de vuelta a través del plano de tierra. Eso es lo que la corriente quiere hacer porque ese es el camino de menor impedancia.
Todos los componentes de protección deben estar lo más cerca posible de ese camino para evitar aumentar el área del bucle. Además, toda la protección debe estar lo más cerca posible del conector y del borde de la placa para prevenir el acoplamiento de ruido en el resto del circuito.
Naturalmente, no es posible apretujar todo en proximidad directa al conector, por lo que debemos priorizar. La regla general es colocar primero el componente que tiene que lidiar con el emisor de EMI "peor".
En nuestro caso, diodos TVS tienen que manejar eventos de alta velocidad y alta corriente. Como los impulsos rápidos son ricos en componentes de alta frecuencia, si se dejan sin control para vagar por nuestras placas, se acoplarán con cada traza disponible y perturbarán la operación.
Así que el TVS va primero.
Si no tuviéramos las resistencias de terminación en el medio, el filtro de modo común iría en segundo lugar.
En nuestro ejemplo de PCB, todavía hay espacio para mejorar. El diodo TVS podría rotarse 180 grados para reducir aún más el área del bucle de ESD. Los capacitores C5 y C6 también podrían rotarse 180 grados y moverse un poco hacia la derecha.
Cada guía de diseño de PCB tiene escrito en ella "planos de masa esto" o "planos de masa aquello", y si quieres mantener esa EMI lejos del delicado vientre de tus placas, no hay escapatoria.
Debe haber un plano de masa justo debajo de cualquier señal que estés conectando a masa para mantener el camino de menor impedancia lo más corto posible. Tus diodos TVS deberían descargar los impulsos directamente al plano de masa, conectados al blindaje del cable (si está disponible) a través de una conexión de baja inductancia.
No tiene mucho sentido gastar todos nuestros duros ganados centavos en capacitores si su efecto va a ser anulado por la inductancia de las pistas de masa.
En este diseño, he usado vías en el perímetro del pad. A diferencia de la técnica de vía-en-pad, no requiere un paso extra en la fabricación del PCB y por lo tanto no aumenta el costo. La vía debe estar cubierta; de lo contrario, la pasta de soldar fluirá hacia el interior, y el pad no estaría adecuadamente humedecido.
Puedes encontrar documentación sobre las propiedades de vía en Altium Designer aquí.
Digamos que ahora hemos pasado horas leyendo artículos escritos por figuras dudosas, investigando transceptores, probando y validando nuestro perfecto subcircuito CAN-bus. ¿Y ahora qué?
El primer paso es diseñar tu circuito en un único documento esquemático, utilizando puertos para las entradas y salidas, de manera similar a lo que harías para un diseño jerárquico.
Usando el panel de exploración, crea una nueva carpeta de “Hojas Esquemáticas Gestionadas”.
Una vez creada tu carpeta, todos los usuarios dentro de tu organización tendrán acceso a ella, y podrás proceder a subir la hoja esquemática.
Ahora puedes colocar tu hoja esquemática gestionada en cualquier proyecto.
Tu nueva hoja esquemática gestionada se diferenciará por el símbolo verde de “reutilización”.
Si te gustaría saber por qué todo es azul en lugar de amarillo y rojo, revisa mi artículo anterior sobre estilos de diseño.
Una terminación “débil” opcional, por ejemplo, 1.3 kOhm, puede ayudar a mejorar la resiliencia EMI de nodos con una larga distancia de ramal. Sin embargo, la misma resistencia contribuye a cargar la red, reduciendo el número de nodos, disminuyendo la impedancia nominal final del bus y reduciendo la velocidad máxima.
Si no estás limitado por costos y la protección de entrada es primordial para ti, deberías considerar agregar una segunda ronda de protección:
Un MOV (Varistor de Óxido Metálico) o GDT (Tubo de Descarga de Gas) para "absorber" más energía de la que el TVS puede manejar.
Algún dispositivo limitador de corriente entre el MOV/GDT y el transceptor, como una resistencia de alto impulso, un varistor o un TBU® (un varistor de semiconductor sofisticado vendido por Bourns).
Deberías tener siempre en mente, sin embargo, que estos dispositivos pueden aumentar tu capacitancia equivalente de bus y disminuir tus tasas de datos e incrementar el consumo de corriente.
Las bobinas de modo estándar son el tipo de filtro más común utilizado en CAN-Bus, y funcionan muy bien, pero tienen algunas desventajas que deberías considerar.
Las bobinas de modo común pueden crear resonancias con la capacitancia parásita del bus CAN-bus, lo que lleva a un aumento del ruido en algunas bandas de frecuencia específicas. Este efecto puede hacer que las propiedades EMI de los dispositivos CAN-bus sean impredecibles, ya que la inductancia en las bobinas de modo común rara vez se especifica con precisión, y la capacitancia parásita puede variar enormemente con las longitudes de cable. Si se utiliza un cable sin blindaje, la capacitancia puede variar dependiendo de la proximidad del cable a superficies metálicas conectadas a tierra.
Como todos sabemos, los inductores de modo común se comportan como inductores en modo común. Obvio. Algunas condiciones de fallo, como un cortocircuito a la alimentación o a tierra, pueden causar altas corrientes transitorias de modo común. En algunos casos, el sobrevoltaje creado por la inductancia de la bobina de modo común puede dañar los transceptores CAN-bus. Estos sobrevoltajes pueden ser bastante complicados de depurar, ya que se crean después de la protección contra sobrevoltajes, que típicamente se coloca en el borde de la placa.
El tercer inconveniente de las bobinas… pueden ser caras. Las señales diferenciales de alta velocidad requieren una fuga de corriente muy baja.
Algunos fabricantes de IC, en particular Texas Instruments, están promoviendo dispositivos aislados y altamente tolerantes a EMI para redes CAN-bus sin "bobinas".
Me gustan mucho, así que decidí optar por un filtro de modo común diseñado específicamente para aplicaciones CAN-bus.
Debo estar enamorado del CAN-bus. Entre su infinita flexibilidad y la extrema resistencia a la EMI, es, sin duda, uno de los estándares más emocionantes del mundo.
Con Altium Concord Pro puedes compartir sin problemas tus hojas de esquemáticos dentro de tu organización, lo que permite reutilizar diseños y minimizar el esfuerzo de ingeniería para lanzar nuevos productos.
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