안정적인 CAN 버스 작동을 위해 전력 및 신호 분리를 구현하는 방법

CAN(계측 제어기 통신망) 통신 버스로 상호 연결된 자동차 및 산업용 시스템에서 컨트롤러 사용이 증가하고 있습니다. 따라서 설계자는 고주파 복사성 EMI(전자파 장해)에서 공통 모드 전도성 전파 방해와 전기 모터, 계전기, 시작 및 정지 교류 발전기/발전기와 같은 여러 부하의 연결 및 연결 해제로 인한 전압 스파이크에 이르는 다양한 주파수를 통해 전기적으로 잡음이 심한 환경을 고려해야 합니다. CAN 버스는 열악한 전기 환경에 적합하지만 제대로 보호하지 않으면 다양한 장애 모드가 발생하기 쉽습니다.

이 기사에서는 CAN 장애의 잠재적 원인을 검토하고 일반적인 분리 기술을 제시합니다. 그런 다음 설계자가 CAN 장치를 보호하는 데 사용할 수 있는 Texas Instruments, RECOM Power, NXP Semiconductors 및 Analog Devices와 같은 벤더의 솔루션을 소개하고, 평가 기판 사용을 포함하여 솔루션을 효과적으로 구현하는 방법에 관한 지침도 함께 살펴봅니다. 제시되는 솔루션에는 개별 구현(즉, 개별 CAN 트랜시버를 기반으로 하는 구현)과 1개 칩 및 2개 칩의 분리형 CAN 버스 설계를 기반으로 하는 통합 솔루션이 포함됩니다.

장애 원인과 분리의 필요성

CAN 버스 장애는 서브 시스템 간의 접지 전위 차이, 공통 모드 에너지 및 복사 에너지와 같은 일반적인 잡음 출처, 전력 분배 버스의 고전압 잡음 및 스파이크 등과 같은 다양한 원인으로 발생할 수 있습니다. 자동차 및 산업용 시스템에서 CAN 버스 상호 연결의 견고한 작동을 보장하기 위해서는 다음 두 가지 유형의 분리가 필요합니다.

1. 전력 버스에서 분리
2. 다양한 서브 시스템을 연결하는 통신 버스의 분리

전력 및 신호 경로를 별도로 분리하는 솔루션은 통합 솔루션과 비교할 때 비용은 낮고 효율성은 높은 경우가 많습니다. 또한 이러한 솔루션을 사용하면 설계자가 두 경로의 분리 레벨을 독립적으로 최적화할 수 있습니다. 설계자는 특정 응용 분야에 적합한 분리 기술 유형을 선택할 수 있습니다. 선택할 수 있는 기술에는 자기 분리, 광학 분리, 정전 용량 분리 등이 있습니다. 다양한 분리 기술 항목에 관한 자세한 설명은 "How to Select the Right Galvanic Isolation Technology for IoT Sensors(IoT 센서에 적합한 전기적 분리 기술을 선택하는 방법)"을 살펴보면 유용합니다.

기본 전기 절연(전류 흐름을 허용하지 않는 재료 사용)과 강화 절연 사이의 차이도 있습니다. 필요한 절연 레벨은 관련된 전압 레벨뿐 아니라 접근 가능한 부품과 접지 사이의 연결이 있는지에 따라 결정됩니다. 기본 절연은 감전을 방지하기 위해 하나의 보호 레벨을 제공합니다. 전압이 60V DC 또는 30V AC보다 높은 시스템은 위험한 것으로 간주되며 한 가지 이상의 보호 레벨이 필요합니다. 시스템은 고장 시 안전하지 않을 수 있고 장애가 포함되기 마련입니다. 강화 또는 이중 절연은 두 가지 보호 레벨을 제공합니다. 따라서 장애가 발생하더라도 사용자 안전을 보장합니다. 주 전압에 연결된 시스템에는 강화 절연이 필요합니다.

분리 솔루션 간의 설계 트레이드 오프

CAN 버스 시스템의 분리 옵션에는 전력과 신호를 별도로 분리하는 개별 솔루션과 완전히 통합된 전력 및 신호 분리 솔루션이 포함됩니다. 통합 솔루션은 높은 정전기 방전(ESD) 내구성 및 무선 주파수(RF) 내성과 같은 관련 보호 기능도 포함할 수 있으므로 자동차 및 산업 응용 분야에서 과도 전압 억제기 다이오드와 같은 추가 보호 장치 없이 사용할 수 있습니다.

이러한 다양한 솔루션 옵션 간에는 크기와 효율성의 성능 트레이드 오프가 있습니다. 솔루션 크기 측면에서는 단일 칩 솔루션이 가장 작아서, 일반적으로 실장 면적이 330mm² 정도입니다. 2개 칩 솔루션은 대개 약 875mm²로 더 큽니다. 외장형 DC-DC 컨버터와 그에 필요한 지원 부품의 크기가 있어 개별 분리 솔루션의 크기가 상당히 크며 대개 1,600mm ~ 2,000mm² 정도입니다.

효율성 트레이드 오프도 있어서, 솔루션이 클수록 효율성이 훨씬 증가하는 경향이 있습니다. 그러나 관련 전력 레벨이 매우 낮은 편이어서(최대 15mA에서 3V ~ 5V) 열 영향은 설계에서 중요하지 않을 수 있습니다. 효율성은 1개 칩 및 2개 칩 솔루션의 경우 50% ~ 60% 범위이며, 외장형 DC DC 컨버터를 사용하는 개별 분리 솔루션의 경우 최대 75% ~ 80%입니다.

CAN 트랜시버의 개별 분리 솔루션

분리형 CAN 트랜시버는 비교적 간단한 장치입니다. 예를 들어 70V 버스 고장 방지 기능과 유연한 데이터 전송률을 제공하는 Texas Instruments의 ISO1042DWR 분리형 CAN 트랜시버를 살펴보십시오(그림 1). ISO1042DWR 장치에서는 기본 분리나 강화 분리를 선택할 수 있습니다. 기본 ISO1042 트랜시버는 산업용 응용 분야를 위해 설계되었습니다.

그림 1: ISO1042 분리형 CAN 트랜시버에서는 기본 또는 강화 전기적 분리를 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ISO1042는 CAN FD(Flexible Data-Rate) 모드에서 최대 5Mb/s의 데이터 전송률을 지원하므로 기존 CAN보다 훨씬 빠른 데이터 전송이 가능합니다. 이 장치는 내성 전압이 5000Vrms인 이산화규소(SiO₂) 절연 장벽을 사용합니다. ISO1042를 사용하면 설계자가 개별 응용 분야의 특정 요구 사항에 가장 적합한 버스 보호 장치를 선택할 수 있습니다. 분리형 전원 공급 장치와 함께 이 장치를 사용하면 데이터 버스의 잡음 전류 또는 기타 회로가 로컬 접지로 들어가 민감한 회로망을 방해하거나 손상하는 것을 방지할 수 있습니다.

이러한 분리형 CAN 트랜시버에는 다음과 같은 여러 안전 관련 인증(강화 및/또는 기본 분리 옵션을 제공하는 모든 장치에 중요한 안전 표준 및 인증)이 있습니다.

• DIN VDE V 0884-11:2017-01에 따른 7071-VPK VIOTM 및 1500-VPK VIORM(강화 및 기본 옵션)
• UL 1577에 따른 1분간 5000-VRMS 분리
• IEC 60950-1, IEC 60601-1 및 EN 61010-1 인증
• CQC, TUV 및 CSA 인증

ISO1042를 고려할 때 설계자가 이용할 수 있는 두 가지 평가 기판 옵션이 있습니다. Texas Instruments에서 제공하는 ISO1042DWEVM 평가 모듈을 사용하면 엔지니어가 16핀 와이드 바디 SOIC 패키지(패키지 코드 DW)에서 고성능 강화 분리형 CAN ISO1042를 평가할 수 있습니다. EVM은 2개 칩 솔루션이며 최소한의 외장형 부품을 사용하여 장치를 평가할 수 있는 충분한 테스트 포인트와 점퍼 옵션을 제공합니다.

RECOM Power에서는 ISO1042를 위한 R-REF03-CAN1 평가 기판을 제공합니다. R-REF03-CAN1 기판은 R1SX-3.305/H 분리형 DC DC 컨버터로 공급되는 ISO1042 분리형 CAN 트랜시버를 보여줍니다. 레퍼런스 기판에 전원을 공급하기 위해 3.3V의 외장형 공급 장치 하나만 필요합니다. 이 레퍼런스 기판을 사용하면 설계자가 분리형 시스템을 신속하게 개발하고 분석할 수 있습니다.

Texas Instruments의 ISO1042는 산업용 CAN 응용 분야에 사용하도록 최적화되어 있지만 NXP의 TJA1052i 고속 CAN 트랜시버는 특히 고전압 부품과 저전압 부품 사이에 전기적 분리 장벽이 필요한 전기 자동차(EV)와 하이브리드 전기 자동차(HEV)를 대상으로 합니다(그림 2).

그림 2: NXP의 TJA1052i는 전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차에서 사용하도록 최적화되어 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

TJA1052i는 리튬 이온(Li-ion) 배터리 관리, 재생식 브레이크 및 48V ~ 12V 레벨 조정에 사용하기 위해 설계되었습니다. 또한 벨트 제거 프로젝트에서 고전압 온디맨드 펌프 및 모터를 분리하는 데에도 사용할 수 있습니다. AEC-Q100 인증 TJA1052i는 ISO 11898-2:2016 및 SAE J2284-1에서 SAE J2284-5까지에 정의된 CAN PHY(물리층)를 구현합니다. 1kV, 2.5kV 및 5kV의 세 가지 분리 레벨을 사용할 수 있습니다. ISO1042처럼 TJA1052i에도 외장 분리형 전원이 필요합니다.

통합 전력 및 신호 분리 솔루션

일반적으로 개별 DC DC 컨버터 구현이 통합형보다 더 효율적이지만 통합 솔루션은 다음과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다.

• 기판 면적 감소
• 간편한 인증
• 간단한 설계

Analog Devices의 ADM3055E/ADM3057E는 통합된 분리형 DC DC 컨버터를 사용하는 5kVrms 및 3kVrms 분리형 CAN 트랜시버입니다(그림 3).

그림 3: ADM3055E/ADM3057E 분리형 CAN 트랜시버는 전력 및 신호 분리를 통합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 장치는 단일 5V 전원 공급 장치로 구동되며 CAN 및 CAN FD를 위한 완전 분리형 솔루션을 제공합니다. DC DC 컨버터의 고주파 스위칭에서 발생하는 복사성 방출은 스위칭 주파수를 지속해서 조정하여 EN 55022 B급 한도 아래로 유지됩니다. 5kVrms 분리 전압, 10kV 서지 테스트, 8.3mm 연면거리 및 공간거리에 대한 안전 및 규제 승인(기사 작성 시점에는 보류 중)을 받으면 ADM3055E가 응용 분야 강화 분리 요구 사항을 충족하게 됩니다. ADM3057E는 20리드 와이드 바디 SOIC에서 분리 전압이 3kVrms이고 연면거리가 7.8mm입니다.

ADM3055E/ADM3057E를 사용한 설계 개발 작업을 지원하기 위해 Analog Devices에서는 EVAL-ADM3055EEBZ 평가 기판을 제공합니다. ADM3055E와 ADM3057E는 논리 부분 OOK(온/오프 키잉) 신호 분리 채널과 Analog Devices의 isoPower DC DC 컨버터를 통합하여 표면 실장 페라이트 비드를 사용한 2계층 인쇄 회로(PC) 기판에서 전송할 때 EN55022 B급 한도보다 훨씬 낮은 분리형 정격 출력을 제공합니다.

Texas Instruments에서는 CAN 트랜시버 TCAN1042H와 함께 2채널 분리형 데이터 및 전력 장치인 ISOW7841을 사용하는 2개 칩 솔루션을 기반으로 CAN 통신의 전력 및 신호 분리를 위한 다른 접근 방식을 제공합니다(그림 4).

그림 4: 이 2개 칩 솔루션은 한 개 칩(왼쪽)에서 전력 및 신호 분리를 제공하고 두 번째 칩(오른쪽)에서 CAN 통신을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ISOW7841 칩 내부에 변압기를 통합하여 x 및 y 크기뿐만 아니라 z(높이) 크기에서도 공간을 절약합니다. ISOW7841을 평가하기 위해 ISOW7841EVM 평가 모듈을 사용할 수 있습니다. 두 개 칩을 사용할 경우 ISOW7841 장치를 기판 한쪽에 배치하고 CAN 장치를 다른 쪽에 배치하여 전체 기판 공간을 줄일 수 있습니다.

이 2개 칩 솔루션 덕분에 설계에서 분리형 출력을 생성하기 위해 추가 부품이 필요하지 않으므로 분리 솔루션의 크기가 필요한 분리형 출력을 생성하기 위해 별도의 변압기를 사용하는 솔루션의 1/4 미만으로 작아집니다. 하나의 관련 참조 설계에서는 3V에서 5.5V 사이의 단일 전원 공급 장치 입력과 기판 한쪽의 입력 공급 레벨이라고 하는 디지털 신호를 사용합니다. 그런 다음 ISOW7841은 통합형 DC DC 컨버터를 사용하여 분리형 전원 공급 장치를 생성하고, 기판의 다른 쪽에 있는 CAN 트랜시버를 구동하는 데 사용합니다. 기판 전력 부분의 신호는 분리되어 CAN 트랜시버에 연결되고, 트랜시버는 단일 엔드 디지털 신호를 차동 CAN 형식으로 변환합니다.

결론

CAN 버스에서 서브 시스템 간의 접지 전위차, 공통 모드 에너지 및 복사 에너지와 같은 일반적인 잡음 출처, 전력 분배 버스의 고전압 잡음 및 스파이크 등으로 인한 잠재적 장애를 방지하려면 전력 및 신호 분리가 필요합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 CAN 버스 시스템의 분리 옵션에는 전력과 신호를 별도로 분리하는 개별 솔루션뿐 아니라 자동차 및 산업 응용 분야에서 억제기 다이오드와 같은 추가 보호 장치 없이 사용할 수 있도록 관련 보호 기능도 포함할 수 있는 완전 통합형 전력 및 신호 분리 솔루션도 있습니다.

권장 참고 자료

1: How to Select the Right Galvanic Isolation Technology for IoT Sensors(IoT 센서에 적합한 전기적 분리 기술을 선택하는 방법)

2: 안정적인 고속 자동차 통신을 보호하기 위해 향상된 최신 CAN 버스 기능 적용