Comment mettre en œuvre l'isolation de l'alimentation et des signaux pour un fonctionnement fiable des bus CAN

L'utilisation de contrôleurs dans les systèmes automobiles et industriels interconnectés avec bus de communication CAN (Controller Area Network) s'accélère. Pour les concepteurs, cela signifie qu'ils doivent tenir compte des environnements qui sont électriquement bruyants sur une vaste plage de fréquences — des interférences électromagnétiques (EMI) rayonnées haute fréquence aux interférences conduites de mode commun, et des pics de tension dus à la connexion et à la déconnexion de diverses charges telles que les moteurs électriques, les relais, et le démarrage et l'arrêt des alternateurs/générateurs. Si les bus CAN sont adaptés aux environnements électriques difficiles, ils sont sujets à divers modes de défaillance s'ils ne sont pas correctement protégés.

Cet article passe en revue les causes potentielles de défaillance CAN et présente les technologies d'isolation les plus courantes. Il présente ensuite des solutions de fournisseurs tels que Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors et Analog Devices que les concepteurs peuvent utiliser pour protéger les dispositifs CAN, ainsi que des conseils sur la manière d'implémenter efficacement les solutions, y compris l'utilisation de cartes d'évaluation. Les solutions présentées incluent des implémentations discrètes (c'est-à-dire basées sur un émetteur-récepteur CAN individuel) et des solutions intégrées basées sur des conceptions de bus CAN isolées à une ou deux puces.

Sources de défaillance et exigences en matière d'isolation

Les défaillances des bus CAN peuvent provenir de diverses sources : différences de potentiel de masse entre les sous-systèmes ; sources de bruit générales telles que l'énergie de mode commun et l'énergie rayonnée ; pointes et bruit haute tension sur le bus de distribution d'énergie. Deux types d'isolation sont nécessaires pour assurer un fonctionnement robuste des interconnexions de bus CAN dans les systèmes automobiles et industriels :

1. Isolation du bus électrique
2. Isolation des bus de communication connectant les différents sous-systèmes

Les solutions qui utilisent une isolation séparée pour les voies d'alimentation et de signaux sont souvent moins coûteuses et plus efficaces que les solutions intégrées. Ces solutions permettent également au concepteur d'optimiser de manière indépendante les niveaux d'isolation des deux voies. Le concepteur est libre de choisir le type de technologie d'isolation le plus approprié pour l'application spécifique. Les choix incluent l'isolation magnétique, l'isolation optique et l'isolation capacitive. La discussion détaillée des différents choix d'isolation dépasse la portée de cet article, mais pour une bonne analyse, consultez l'article traitant du choix de la technologie d'isolation galvanique appropriée pour les capteurs IoT.

On distingue également l'isolation électrique de base (utilisant des matériaux qui ne permettent pas la circulation du courant électrique) et l'isolation renforcée. Le niveau d'isolation requis est déterminé par les niveaux de tension concernés, ainsi que par la présence ou l'absence de connexion des composants accessibles à la terre. L'isolation de base offre un niveau de protection contre les chocs électriques. Les systèmes avec une tension supérieure à 60 volts (V) CC ou 30 V CA sont considérés comme dangereux et nécessitent au moins un niveau de protection. Le système ne sera pas nécessairement à l'abri des défaillances, mais toute défaillance sera contenue dans le système. L'isolation renforcée ou double offre deux niveaux de protection. Cela permet de garantir la sécurité des utilisateurs en cas de défaillance. Un système connecté aux tensions secteur doit avoir une isolation renforcée.

Compromis de conception entre les solutions d'isolation

Les options d'isolation dans les systèmes de bus CAN incluent des solutions discrètes où l'alimentation et les signaux sont isolés séparément, ainsi que des solutions d'isolation de l'alimentation et des signaux entièrement intégrées. Les solutions intégrées peuvent également inclure des fonctions de protection connexes telles que la robustesse aux décharges électrostatiques (DES) et l'immunité aux radiofréquences (RF), permettant leur utilisation dans les applications automobiles et industrielles sans dispositifs de protection supplémentaires tels que des diodes de suppression de tension transitoire.

Il y a un compromis de performances entre taille et rendement parmi ces différentes solutions. En termes de taille de la solution, les solutions monopuces sont les plus petites, avec une empreinte typique d'environ 330 millimètres carrés (mm²). Les solutions à deux puces sont plus grandes, en général environ 875 mm². En raison de la taille du convertisseur CC/CC externe et des composants de support nécessaires, les solutions discrètes sont nettement plus grandes, généralement de l'ordre de 1600 à 2000 mm².

Il existe également des compromis en termes de rendement, les solutions les plus grandes ayant tendance à être nettement plus efficaces. Cependant, comme les niveaux de puissance impliqués ont tendance à être assez faibles — de 3 V à 5 V jusqu'à 15 milliampères (mA) — l'impact thermique peut ne pas être significatif dans une conception. Les rendements s'étendent de 50 à 60 % pour les solutions à une ou deux puces, et de 75 à 80 % pour les solutions d'isolation discrètes utilisant un convertisseur CC/CC externe.

Solutions d'isolation discrète pour émetteurs-récepteurs CAN

Les émetteurs-récepteurs CAN isolés sont des dispositifs relativement simples. Prenons l'exemple de l'émetteur-récepteur CAN isolé ISO1042DWR de Texas Instruments, avec protection contre les défaillances de bus de 70 V et débit de données flexible (Figure 1). Le dispositif ISO1042DWR est disponible avec un choix d'isolation de base ou renforcée. Les émetteurs-récepteurs ISO1042 de base sont conçus pour des applications industrielles.

Figure 1 : L'émetteur-récepteur CAN isolé ISO1042 est disponible avec un choix d'isolation galvanique renforcée ou de base. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'ISO1042 prend en charge des débits de données atteignant 5 mégabits par seconde (Mb/s) en mode CAN FD (Flexible Data-rate), ce qui permet un transfert de données beaucoup plus rapide par rapport au CAN classique. Ce dispositif utilise une barrière d'isolation en dioxyde de silicium (SiO₂) avec une tension de 5000 Vrms. L'ISO1042 permet au concepteur de sélectionner les dispositifs de protection de bus optimaux pour les besoins spécifiques de chaque application. Utilisé conjointement avec des alimentations isolées, ce dispositif empêche les courants de bruit sur un bus de données, ou d'autres circuits d'entrer en contact avec la masse locale et d'interférer avec les circuits sensibles ou de les endommager.

Ces émetteurs-récepteurs CAN isolés sont dotés de plusieurs certifications de sécurité (il s'agit de normes et de certifications de sécurité importantes pour tout dispositif offrant des options d'isolation renforcée et/ou de base) :

• 7071-VPK VIOTM et 1500-VPK VIORM (options renforcées et de base) selon DIN VDE V 0884-11:2017-01
• Isolation de 5000 VRMS pendant 1 minute selon UL 1577
• Certifications CEI 60950-1, CEI 60601-1 et EN 61010-1
• Certifications CQC, TUV et CSA

Il existe deux options de carte d'évaluation pour les concepteurs qui envisagent d'utiliser l'ISO1042. Texas Instruments propose le module d'évaluation ISO1042DWEVM permettant aux ingénieurs d'évaluer l'ISO1042 CAN isolé renforcé hautes performances en boîtier SOIC à 16 broches (code de boîtier DW). L'EVM est une solution à deux puces qui dispose de suffisamment de points de test et d'options de cavaliers pour évaluer le dispositif avec un minimum de composants externes.

RECOM Power propose la carte d'évaluation R-REF03-CAN1 pour l'ISO1042. La carte R-REF03-CAN1 permet la démonstration de l'émetteur-récepteur CAN isolé ISO1042 alimenté par le convertisseur CC/CC isolé R1SX-3.305/H. Seule une alimentation externe de 3,3 V est nécessaire pour alimenter la carte de référence. Cette carte de référence permet aux concepteurs de développer et d'analyser rapidement des systèmes isolés.

Alors que l'ISO1042 de Texas Instruments est optimisé pour une utilisation dans les applications CAN industrielles, l'émetteur-récepteur CAN haute vitesse TJA1052i de NXP est spécifiquement destiné aux véhicules électriques et aux véhicules électriques hybrides (VEH), où des barrières d'isolation galvanique sont requises entre les parties haute et basse tension (Figure 2).

Figure 2 : Le TJA1052i de NXP est optimisé pour une utilisation dans les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides. (Source de l'image : NXP Semiconductors)

Le TJA1052i est conçu pour être utilisé dans la gestion des batteries lithium-ion (Li-ion), le freinage régénératif et le décalage de niveau de 48 V à 12 V. Le dispositif peut également être utilisé pour isoler les pompes et les moteurs haute tension à la demande dans les projets d'élimination des courroies. Le TJA1052i qualifié AEC-Q100 met en œuvre la couche physique (PHY) CAN, tel que défini dans la norme ISO 11898-2:2016, et SAE J2284-1 à SAE J2284-5. Trois niveaux d'isolation sont disponibles : 1 kilovolt (kV), 2,5 kV et 5 kV. Comme l'ISO1042, le TJA1052i requiert une source d'alimentation externe isolée.

Solutions intégrées d'isolation de l'alimentation et des signaux

Si les implémentations de convertisseurs CC/CC discrets sont généralement plus efficaces que leurs homologues intégrés, les solutions intégrées offrent plusieurs avantages :

• Réduction de la surface de la carte
• Certification simplifiée
• Simplicité de conception

Les dispositifs ADM3055E/ADM3057E d'Analog Devices sont des émetteurs-récepteurs CAN isolés de 5 kVrms et 3 kVrms avec des convertisseurs CC/CC isolés intégrés (Figure 3).

Figure 3 : Les émetteurs-récepteurs CAN isolés ADM3055E/ADM3057E intègrent l'isolation de l'alimentation et des signaux. (Source de l'image : Analog Devices)

Les dispositifs sont alimentés par une seule alimentation de 5 V et fournissent une solution entièrement isolée pour CAN et CAN FD. Les émissions rayonnées de la commutation haute fréquence des convertisseurs CC/CC sont maintenues en dessous des limites de la norme EN 55022 classe B par des ajustements continus de la fréquence de commutation. Les approbations de sécurité et réglementaires (en attente au moment de la rédaction de cet article) pour la tension d'isolement de 5 kVrms, le test de surtension de 10 kV, et le dégagement et la fuite en surface de 8,3 mm garantissent que l'ADM3055E répond aux exigences d'isolation renforcée de l'application. L'ADM3057E affiche une tension d'isolement de 3 kVrms et une fuite en surface de 7,8 mm dans un grand boîtier SOIC à 20 sorties.

Pour soutenir les efforts de développement de conception avec les dispositifs ADM3055E/ADM3057E, Analog Devices propose la carte d'évaluation EVAL-ADM3055EEBZ. L'ADM3055E et l'ADM3057E intègrent des canaux d'isolation des signaux OOK (modulation par tout ou rien) côté logique et un convertisseur CC/CC isoPower d'Analog Devices pour fournir une alimentation isolée et régulée bien en dessous des limites de la norme EN 55022 classe B lors de la transmission sur un circuit imprimé à deux couches avec des perles de ferrite à montage en surface.

Texas Instruments propose une approche différente de l'isolation de l'alimentation et des signaux dans les communications CAN, basée sur une solution à deux puces utilisant l'ISOW7841, un dispositif de données et d'alimentation isolé à deux canaux, ainsi que l'émetteur-récepteur CAN TCAN1042H (Figure 4).

Figure 4 : Cette solution à deux puces fournit l'isolation de l'alimentation et des signaux dans une puce (à gauche) et les communications CAN dans la seconde puce (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

L'intégration du transformateur dans la puce ISOW7841 permet d'économiser de l'espace non seulement dans les dimensions x et y, mais également dans la dimension z (hauteur). Pour évaluer l'ISOW7841, le module d'évaluation ISOW7841EVM est disponible. Lors de l'utilisation de deux puces, l'espace carte total peut être réduit en plaçant le dispositif ISOW7841 d'un côté de la carte et le dispositif CAN de l'autre.

Cette solution à deux puces permet des conceptions qui ne requièrent aucun composant supplémentaire pour générer l'alimentation isolée. La solution d'isolation mesure par conséquent moins d'un quart de la taille des solutions qui utilisent un transformateur discret pour générer l'alimentation isolée requise. Une conception de référence connexe prend une seule entrée d'alimentation entre 3 V et 5,5 V et les signaux numériques liés au niveau d'alimentation d'entrée sur un côté de la carte. L'ISOW7841 génère ensuite une alimentation isolée à l'aide d'un convertisseur CC/CC intégré, qui est utilisé pour alimenter l'émetteur-récepteur CAN de l'autre côté de la carte. Les signaux du côté alimentation de la carte sont isolés et connectés à l'émetteur-récepteur CAN, qui convertit les signaux numériques asymétriques en format CAN différentiel.

Conclusion

L'isolation de l'alimentation et des signaux est nécessaire pour protéger les bus CAN contre les défaillances potentielles résultant des différences de potentiel de masse entre les sous-systèmes, les sources de bruit générales telles que l'énergie de mode commun et l'énergie rayonnée, et les pointes et le bruit haute tension sur le bus de distribution de puissance.

Comme illustré, les options d'isolation pour les systèmes de bus CAN incluent des solutions discrètes où l'alimentation et les signaux sont isolés séparément, ainsi que des solutions d'isolation de l'alimentation et des signaux entièrement intégrées, qui peuvent également inclure des fonctions de protection connexes pouvant permettre leur utilisation dans des applications automobiles et industrielles sans dispositifs de protection supplémentaires, tels que des diodes de suppression.

Lecture recommandée

1. Comment choisir la technologie d'isolation galvanique appropriée pour les capteurs IoT

2. Appliquer les dernières améliorations des bus CAN pour des communications automobiles haute vitesse fiables et sécurisées.