Cómo implementar el aislamiento de potencia y señales para el funcionamiento fiable de los buses CAN

Existe un uso acelerado de controladores en sistemas automotrices e industriales interconectados con los buses de comunicaciones de la red de área de control (CAN). Para los diseñadores, esto significa que deben tener en cuenta los entornos que son eléctricamente ruidosos en una amplia gama de frecuencias, desde las interferencias electromagnéticas radiadas de alta frecuencia (IEM) hasta las interferencias conducidas en modo común, y los picos de tensión de la conexión y desconexión de diversas cargas como motores eléctricos, relés y alternadores/generadores de arranque y parada. Aunque los buses CAN son adecuados para entornos eléctricos severos, son propensos a varios modos de fallo si no se protegen adecuadamente.

En este artículo se examinan las posibles causas del fallo del CAN y se presentan las tecnologías de aislamiento más comunes. A continuación, presenta soluciones de proveedores, como Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors y Analog Devices, que los diseñadores pueden utilizar para proteger los dispositivos CAN, junto con una guía sobre cómo implementar las soluciones de forma efectiva, incluyendo el uso de placas de evaluación. Las soluciones presentadas incluyen implementaciones discretas (es decir, basadas en un transceptor CAN individual) y soluciones integradas basadas en diseños de bus CAN aislado de uno y dos chips.

Fuentes de fracaso y necesidad de aislamiento

Las fallas en los buses CAN pueden surgir de diversas fuentes: diferencias de potencial de puesta a tierra entre los subsistemas; fuentes de ruido en general, como la potencia de modo común y la energía radiada; y ruido de alto voltaje y picos en el bus de distribución de energía. Se necesitan dos tipos de aislamiento para garantizar un funcionamiento resistente de las interconexiones del bus CAN en los sistemas automovilísticos e industriales:

1. Aislamiento del bus de potencia
2. Aislamiento de los buses de comunicaciones que conectan los diversos subsistemas

Las soluciones que emplean el aislamiento separado de las vías de alimentación y de la señal suelen ser más baratas y tienen una mayor eficacia en comparación con las soluciones integradas. Estas soluciones también permiten al diseñador optimizar independientemente los niveles de aislamiento de los dos caminos. El diseñador es libre de seleccionar el tipo de tecnología de aislamiento más apropiada para la aplicación específica. Las opciones incluyen aislamiento magnético, aislamiento óptico y aislamiento capacitivo. Una discusión detallada de las diversas opciones de aislamiento está más allá del alcance de este artículo, pero para una buena revisión, ver "Cómo seleccionar la tecnología de aislamiento galvánico adecuada para los sensores IoT".

También se distingue entre el aislamiento eléctrico básico (que utiliza materiales que no permiten el flujo de la corriente eléctrica) y el aislamiento reforzado. El nivel de aislamiento requerido está determinado por los niveles de voltaje involucrados, así como la presencia o ausencia de una conexión de las partes accesibles a la puesta de tierra. El aislamiento básico proporciona un nivel de protección contra las descargas eléctricas. Los sistemas con un voltaje superior a 60 voltios CC o 30 voltios CA se consideran peligrosos y requieren al menos un nivel de protección. El sistema no necesariamente fallará de forma segura, pero cualquier fallo estará contenido en el sistema. El aislamiento reforzado o doble proporciona dos niveles de protección. Esto garantiza la seguridad del usuario en caso de que se produzca una falla. Un sistema conectado a la red eléctrica debe tener un aislamiento reforzado.

Diseño de compensaciones entre soluciones de aislamiento

Las opciones de aislamiento en los sistemas de bus CAN incluyen soluciones discretas en las que la potencia y la señal se aíslan por separado, así como soluciones de aislamiento de potencia y señal totalmente integradas. Las soluciones integradas también pueden incluir funciones de protección relacionadas, como la resistencia de las descargas electrostáticas (ESD) y la inmunidad a las radiofrecuencias (RF), lo que permite su uso en aplicaciones automovilísticas e industriales sin necesidad de dispositivos de protección adicionales como los diodos supresores de tensión transitoria.

Hay un equilibrio de rendimiento entre el tamaño y la eficiencia entre estas diversas opciones de solución. En cuanto al tamaño de la solución, las soluciones de un solo chip son las más pequeñas, normalmente con una huella de unos 330 milímetros cuadrados (mm²). Las soluciones de dos chips son más grandes, generalmente alrededor de 875 mm². Como resultado del tamaño del convertidor externo de CC-CC y de los componentes de soporte necesarios, las soluciones discretas son significativamente más grandes, generalmente alrededor de 1,600 a 2,000 mm² de tamaño.

También hay compensaciones de eficiencia y las soluciones más grandes tienden a ser significativamente más eficientes. Sin embargo, dado que los niveles de potencia involucrados tienden a ser bastante bajos, de 3 a 5 voltios hasta 15 miliamperios (mA), el impacto térmico puede no ser significativo en un diseño. Las eficiencias varían entre el 50% y el 60% para soluciones de un chip y dos chips, con hasta el 75% y el 80% para soluciones de aislamiento discreto usando un convertidor externo CC-CC.

Soluciones de aislamiento discretas para transceptores CAN

Los transceptores CAN aislados son dispositivos relativamente sencillos. Consideremos, por ejemplo, el transceptor aislado CAN ISO1042DWR de Texas Instruments con protección de fallo de bus de 70 voltios y velocidad de datos flexible (Figura 1). El dispositivo ISO1042DWR está disponible con una opción de aislamiento básico o reforzado. Los transceptores básicos ISO1042 están diseñados para aplicaciones industriales.

Figura 1: El transceptor CAN aislado ISO1042 está disponible con una opción de aislamiento galvánico básico o reforzado. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El ISO1042 soporta velocidades de datos de hasta 5 megabits por segundo (Mbits/s) en el modo de velocidad de datos flexible (FD) de CAN, lo que permite una transferencia de datos mucho más rápida en comparación con la CAN clásica. Este dispositivo utiliza una barrera de aislamiento de dióxido de silicio (SiO₂) con una tensión de resistencia de 5000 voltios rms. El ISO1042 permite al diseñador seleccionar los dispositivos de protección de bus óptimos para las necesidades específicas de cada aplicación. Al usar en conjunto con fuentes de alimentación aisladas, el dispositivo evita que las corrientes de ruido en un bus de datos, u otros circuitos entren en la puesta a tierra local e interfieran o dañen los circuitos sensibles.

Estos transceptores aislados CAN tienen varias certificaciones relacionadas con la seguridad (son normas y certificaciones de seguridad importantes para cualquier dispositivo que ofrezca opciones de aislamiento reforzadas y/o básicas):

• 7071-VPK VIOTM y 1500-VPK VIORM (Opciones reforzadas y básicas) según DIN VDE V 0884-11:2017-01
• Aislamiento de 5000 VRMS durante un minuto por el UL 1577
• Certificaciones IEC 60950-1, IEC 60601-1 y EN 61010-1
• Certificaciones de CQC, TUV y CSA

Hay dos opciones de placa de evaluación para los diseñadores que consideren la ISO1042. Texas Instruments ofrece el módulo de evaluación ISO1042DWEVM que permite a los ingenieros evaluar la CAN ISO1042, aislada y reforzada, de alto rendimiento, en un paquete SOIC de cuerpo ancho de 16 pines (código de paquete DW). El EVM es una solución de dos chips y cuenta con suficientes puntos de prueba y opciones de puente para evaluar el dispositivo con un mínimo de componentes externos.

RECOM Power ofrece la placa de evaluación R-REF03-CAN1 conforme a ISO1042. La placa R-REF03-CAN1 muestra el transceptor CAN aislado ISO1042 suministrado por el convertidor de CC-CC R1SX-3.305/H aislado. Para alimentar la placa de referencia, solo se necesita un suministro externo de 3.3 voltios. Esta placa de referencia permite a los diseñadores desarrollar y analizar rápidamente sistemas aislados.

Mientras que el ISO1042 de Texas Instruments está optimizado para su uso en aplicaciones industriales de CAN, el transceptor CAN de alta velocidad TJA1052i de NXP está dirigido específicamente a los vehículos eléctricos (EV) y a los vehículos eléctricos híbridos (HEV), en los que se necesitan barreras de aislamiento galvánico entre las partes de alta y baja tensión (Figura 2).

Figura 2: El TJA1052i de NXP está optimizado para su uso en vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos. (Fuente de la imagen: NXP Semiconductors)

El TJA1052i está diseñado para su uso en la gestión de baterías de iones de litio (Li-ion), en el frenado regenerativo y en el cambio de nivel de 48 a 12 voltios. El dispositivo también puede utilizarse para aislar bombas y motores de alto voltaje a demanda en proyectos de eliminación de correas. El TJA1052i calificado por la AEC-Q100 implementa la capa física del CAN (PHY) como se define en la ISO 11898-2:2016, y el SAE J2284-1 al SAE J2284-5. Hay tres niveles de aislamiento disponibles: 1 kilovoltio (kV), 2.5 kV y 5 kV. Al igual que el ISO1042, el TJA1052i requiere una fuente de energía externa aislada.

Soluciones integradas de aislamiento de potencia y señales

Si bien las implementaciones de convertidores discretos CC-CC son generalmente más eficientes en comparación con sus contrapartes integradas, las soluciones integradas ofrecen varias ventajas:

• Reducción de la superficie de la placa
• Una certificación más fácil
• Simplicidad del diseño

Los ADM3055E/ADM3057E de Analog Devices son transceptores CAN aislados de 5 kV rms y 3 kV rms con convertidores CC-CC aislados integrados (Figura 3).

Figura 3: Los transceptores CAN aislados ADM3055E/ADM3057E integran tanto el aislamiento de potencia como el de señal. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los dispositivos se alimentan de una sola fuente de 5 voltios y proporcionan una solución totalmente aislada para la CAN y la CAN FD. Las emisiones radiadas de la conmutación de alta frecuencia de los convertidores CC-CC se mantienen por debajo de los límites de la norma EN 55022 Clase B mediante ajustes continuos de la frecuencia de conmutación. Las aprobaciones de seguridad y reglamentarias (pendientes en el momento de redactar este documento) para la tensión de aislamiento de 5 kV rms, la prueba de sobretensión de 10 kV y la fuga y el espacio libre de 8.3 mm garantizan que el ADM3055E cumple los requisitos de aislamiento reforzado de la aplicación. El ADM3057E tiene un voltaje de aislamiento de 3 kV rms y 7.8 mm de fuga en un SOIC de 20 cables de cuerpo ancho.

Para apoyar los esfuerzos de desarrollo del diseño utilizando el ADM3055E/ADM3057E, Analog Devices ofrece la placa de evaluación EVAL-ADM3055EEBZ. El ADM3055E y el ADM3057E integran canales de aislamiento de señales de activación y desactivación del lado lógico (OOK), y un convertidor isoPower CC-CC de Analog Devices para proporcionar una potencia regulada y aislada que está muy por debajo de los límites de la norma EN55022 Clase B cuando se transmite en una placa de circuito impreso (pc) de dos capas con perlas de ferrita de montaje superficial.

Texas Instruments ofrece un enfoque diferente para el aislamiento de la potencia y la señal en las comunicaciones CAN, basado en una solución de dos chips que utiliza el ISOW7841, un dispositivo de datos y potencia aislado de dos canales junto con el transceptor CAN TCAN1042H (Figura 4).

Figura 4: Esta solución de dos chips proporciona aislamiento de potencia y señal en un chip (izquierda) y comunicaciones CAN en el segundo chip (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La integración del transformador dentro del chip ISOW7841 ahorra espacio no solo en las dimensiones x e y, sino también en la dimensión z (altura). Para evaluar el ISOW7841, está disponible el módulo de evaluación ISOW7841EVM. Cuando se trabaja con los dos chips, el espacio total de la placa puede reducirse colocando el dispositivo ISOW7841 en un lado de la placa y el dispositivo CAN en el otro.

Esta solución de dos chips da como resultado diseños que no requieren ningún componente adicional para generar la energía aislada, lo que hace que la solución de aislamiento sea menos de un cuarto del tamaño de las soluciones que utilizan un transformador discreto para generar la energía aislada requerida. Un diseño de referencia relacionado toma una sola entrada de alimentación entre 3 y 5.5 voltios y las señales digitales se refieren al nivel de alimentación de entrada en un lado de una placa. El ISOW7841 genera entonces una fuente de alimentación aislada utilizando un convertidor CC-CC integrado, que se utiliza para alimentar el transceptor CAN del otro lado de la placa. Las señales del lado de la potencia de la placa están aisladas y conectadas al transceptor CAN, que convierte las señales digitales de un solo extremo en el formato CAN diferencial.

Conclusión:

El aislamiento de la potencia y de la señal es necesario para proteger los buses CAN de posibles fallos derivados de las diferencias de potencial de tierra entre los subsistemas, de las fuentes de ruido en general, como la energía en modo común y la energía radiada, y del ruido y los picos de alta tensión en el bus de distribución de energía.

Como se muestra, las opciones de aislamiento para los sistemas de bus CAN incluyen soluciones discretas en las que la potencia y la señal se aíslan por separado, así como soluciones de aislamiento de la potencia y la señal totalmente integradas, que también pueden incluir funciones de protección conexas que pueden permitir su utilización en aplicaciones automovilísticas e industriales sin dispositivos de protección adicionales, como los diodos supresores.

Lecturas recomendadas

1: Cómo seleccionar la tecnología de aislamiento galvánico adecuada para los sensores de IoT

2: Aplique las últimas mejoras del bus CAN para una comunicación automotriz segura y fiable de alta velocidad