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전원으로 표준 HS-CAN 통신 설명

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3.3VCC  전원으로 표준 HS-CAN 통신 구현



저자: Robert Regensburger

개요: 차지 펌프는 종종 저전력, 저전압 동작 및 저렴한 비용이 복합적으로 요구되는 애플리케이션에 전원을 제공하는 최상의 선택이다. 이 애플리케이션 노트에서는 3.3V 입력, 레귤레이트된 5V 출력을 갖는 차지 펌프 MAX683을 사용하여 MAX13041 HS-CAN 트랜시버에 전원을 제공하는 방법에 대해 설명한다. 또한 전자기 방사와 내성에 미치는 영향에 대해서도 살펴본다. 

개요

고속 CAN 통신을 위한 ISO 11898-2 표준의 준수는 MAX13041의 VCC 전원이 4.75V ~ 5.25V 사이(일반 동작 전압 범위)에 있는 경우에만 보장된다.1 이것은 CAN 통신이 요구되는 경우, 트랜시버 전원을 위해 5V 레일을 사용할 수 있어야 함을 의미한다.

그러나 시스템 엔지니어링에서 잘 알려진 문제는 주 전원으로 서브 시스템의 전원 요구사항을 만족시킬 수 없다는 점이다. 이와 같은 경우, 예컨대 3.3V 단일 전원만 제공되거나 모든 필요한 전원을 생성하는 옵션으로 배터리 전압을 직접 사용할 수 없는 등 이용 가능한 공급 전원을 직접적으로 사용할 수 없는 경우가 많다. 공간 부족으로 인해 최적의 수의 전원을 모두 포함시키는 것도 불가능하다. 다른 경우 배터리 전원으로부터 직접 5V를 발생시키는 것은 특히 높은 배터리 전압(자동차 또는 24V 트럭 시스템의 이중 배터리 조건)에서 CAN 통신을 필요로 하는 시스템에서는 방열로 인해 허용되지 않을 수 있다.

전압 컨버터는 원하는 전압 레벨을 발생시킬 수 있으며, 차지 펌프는 종종 저전력, 간소화, 저렴한 비용이 복합적으로 요구되는 애플리케이션에 최상의 선택이다. 차지 펌프는 고가의 인덕터나 추가 반도체를 필요로 하지 않으므로 사용이 간편하다.

차지 펌프 선택


트랜시버 전원

MAX13041의 VCC 핀은 IC에 전원을 제공하는 데 사용되어 IC가 일반 모드에 있을 때 버스와 기준전압, 수신기 단 사이에 적절한 통신 신호를 생성한다.

VI/O 입력은 컨트롤러와 트랜시버 간의 정확한 전압 레벨을 얻기 위해 3.3V I/O 마이크로컨트롤러와의 인터페이싱을 제공한다. 이 핀은 애플리케이션이 이와 같은 컨트롤러와 통신하는 동안에도 5V 레귤레이터에 의해 전원을 제공받을 수 있다.

VBAT 핀(보통 자동차 배터리, 12V에 연결)은 매우 낮은 무부하 웨이크 업 검출 회로에 전원을 제공한다. 이 핀은 CAN 메시지로 MAX13041을 슬립 모드로부터 웨이크업하도록 하며, VBAT 전원에서 저전압이 검출될 경우 트랜시버를 저전력 모드로 전환한다.

다른 모든 핀에 대한 자세한 설명은 MAX13041 데이터 시트를 참조한다.2

소비 전류

CAN 버스는 리세시브 (recessive) 또는 도미넌트(dominant)의 2가지 논리적 상태 중 하나를 가질 수 있다(그림 1). 일반 통신 모드의 경우 MAX13041은 도미넌트 상태에서 80mA의 최대 VCC 입력 전류를 필요로 하며 리세시브 상태에서는 10mA를 필요로 한다.3 VI/O 및 VBAT로 들어가는 전류는 무시할 수 있다.

그러나 버스 오류가 존재할 때, 특히 CAN_H 버스 라인이 접지로 단락되는 경우 VCC 소비 전류는 크게 증가할 수 있다. 트랜시버가 단락 회로 전류를 IO(SC) = 95mA로 제한한다.4 그러나 이 경우 차지 펌프 출력 전류의 양을 지정하는 것이 더 좋다.

위의 경우를 고려해 보면 CAN 트랜시버에 적절한 전력을 제공하려면 5V의 출력 전압뿐 아니라 위에서 언급한 전압 허용오차 및 95mA의 최소 출력 전류 성능을 갖는 차지 펌프가 필요하다.

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그림 1. CAN 버스의 논리적 상태

3.3V 입력, 레귤레이트된 5V 출력을 갖는 차지 펌프


기존의 많은 차지 펌프 소자가 시중에 나와 있지만 이 애플리케이션 노트에서는 공급 전원 문제를 해결해주는 3.3V 입력, 레귤레이트된 5V 출력을 갖는 차지 펌프 MAX683을 살펴본다. 이 소자는 2.7V ~ 5.5V의 입력 전압으로부터 레귤레이트된 5V ±4% 출력 전압을 제공한다. 소자의 스위칭 주파수 범위는 최대 2MHz까지 조정 가능하므로 100mA 출력 전류에서 소형 외부 커패시터를 사용할 수 있다. 

소자는 스킵 모드와 고정 주파수 모드의 2가지 동작 모드에서 동작할 수 있다. 스킵 모드(액티브 로우 SKIP 입력 = 로우)에서는 5V보다 높은 출력 전압이 검출되면 스위칭이 디스에이블된다. 그런 다음 소자는 출력 전압이 드롭할 때까지 스위칭 사이클을 건너뛴다. 이러한 레귤레이션 방법에서는 소자가 연속적으로 스위칭하지 않으므로 동작 전류를 최소화한다. 고정 주파수 모드(액티브 로우 SKIP 입력 = 하이)에서는 차지 펌프가 선택된 주파수에서 연속적으로 동작한다. 이러한 레귤레이션 구조는 출력 리플을 최소화한다. 소자가 연속적으로 스위칭하므로 출력 잡음은 잘 정의된 주파수 성분을 가지며, 회로는 주어진 출력 리플에 대해 훨씬 작은 외부 커패시터를 필요로 한다. 그러나 고정 주파수 모드는 더 높은 동작 전류를 필요로 하며 낮은 부하에서 스킵 모드보다 효율이 낮다.

MAX13041 및 MAX683을 탑재한 3.3V 예제 회로


그림 2의 회로는 얼마나 간편하게 MAX13041에 차지 펌프로 전원을 제공할 수 있는지를 보여준다. MAX683을 간단히 CAN 트랜시버의 VCC 입력에 추가하면(점선 참조), 필요한 허용오차와 출력 전류를 갖는 5V 출력 전압이 생성된다. 이러한 구성은 회로의 나머지 부분을 저전압으로 제공할 수 있게 한다. 이 예에서는 3.3V의 외부 공급 전압으로 차지 펌프(IN), 마이크로컨트롤러, 트랜시버의 VI/O 레벨 변환기 전압에 전원을 제공한다. 차지 펌프의 액티브 로우 SKIP 입력을 하이로 구동하면 부품은 고정 주파수 모드에 놓인다. 스위칭 주파수는 REXT 저항에 의해 설정된다. 입/출력(CIN, COUT), 플라잉 커패시터(CX), 주파수 설정 저항(REXT)의 자세한 크기는 MAX683 데이터 시트에 나와 있다.5

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그림 2. MAX13041 CAN 트랜시버에 MAX683 차지 펌프로 전원을 제공하는 회로

전자기 호환성


전자기 호환성(EMC)은 CAN 애플리케이션이 특히 스위칭 전압 레귤레이터에 의해 전원이 제공되는 경우 달성하기 어려운 과제가 될 수 있다. CAN 시스템의 와이어링 하니스는 특히 문제가 될 수 있는데, CAN_H and CAN_L 핀이 전체 자동차의 동작과 연결되는 버스 네트워크와의 인터페이스이기 때문이다. 주의를 기울이지 않으면 간섭을 맞닥뜨리거나 CAN 전원으로부터 트랜시버를 통해 버스 와이어를 거쳐 와이어링 하니스의 인접 케이블로 전파되는 간섭을 발생시킬 수 있다. 이러한 간섭은 시스템에서 다른 제어 유닛의 통신 오류 또는 오작동을 발생시킬 수 있다.

이러한 이유로 우리는 EMC 간섭의 관점에서 차지 펌프의 영향을 보기 위해 MAX683 차지 펌프로 전원이 제공되는 MAX13041의 EMC 특성을 테스트하여 이를 표준 5V 전원 MAX13041과 비교해볼 것이다. 이를 위해 전자파 내성(EMI)과 전자파 방사(EME)의 2가지 영역에 대해 살펴보자.

내성 테스트


ISO 11452 규격은 BCI(bulk current injection), TEM-cell(transversal electromagnetic-cell), 스트립라인, DPI(direct power injection)를 포함하여 RF 교란에 대한 내성 테스팅을 위한 여러 방법에 대해 설명한다.

잘 정의된 테스트 보드의 사용으로 인해 높은 재생산성을 갖지만 요구되는 테스트 노력이 비교적 적은 DPI 방법을 사용하기로 한다. DPI 테스트의 원리는 일정한 AC 전압을 변조되거나 변조되지 않은 버스 라인에 주입하고 트랜시버의 RXD 핀을 통해 전송된 데이터 신호의 무결성을 검사한다. 이 방법은 또한 서로 다른 전원 설계 간의 비교를 용이하게 할 뿐 아니라 독립적인 랩 테스팅 CAN 트랜시버(IBEE [Ingenieur Buereo fuer industrielle Elektronik] 등)에 의해 사용된다.

테스트 구성


테스트 구성(그림 3)은 정의된 단일 PCB에 납땜 처리되는 3개의 동일한 트랜시버로 구성되며, 이중 하나는 MAX683 차지 펌프에 의해 전원이 제공된다. 노드 1은 모든 트랜시버의 Rx_ 출력 포트에서 수신되고 모니터링되는 CAN 메시지를 시뮬레이팅하는 비트 패턴을 위한 송신기로 동작한다. 입력 Tx1뿐 아니라 출력 Rx1 ~ Rx3의 RF 디커플링을 위해 1kΩ 저항이 사용된다. 버퍼 세라믹 커패시터(C = 100nF)가 모든 트랜시버 IC의 전원 포트 VCC와 VBAT에 사용된다. 웨이크 업 핀의 저항은 33kΩ 값을 갖는다. 소자들은 핀 EN과 액티브 로우 STB를 하이로 연결하여 일반 모드로 설정한다. 노드 1의 VCC 전압은 3.3V 전원이 제공되는 MAX683 차지 펌프 회로에 의해 발생된다. 3.3V 전원은 또한 트랜시버 노드 1의 VI/O 전압으로도 사용된다. 

점퍼 저항 R1 또는 R2를 선택하면 차지 펌프를 스킵 모드와 고정 주파수 모드(CFM) 간에 스위칭할 수 있다. 차지 펌프의 스위칭 주파수는 59kΩ R3 저항을 사용하여 2MHz로 설정한다. 차지 펌프의 출력 커패시터 C1은 4.7µF이고, 플라잉 커패시터 C2는 220nF이며, 입력 IN 핀은 470nF 커패시터와 디커플링된다. 테스트 회로에서 버스 종단은 60Ω R4 저항을 사용하여 중앙 종단에 의해 구현되며 대칭 RF 커플링/디커플링은 병렬 RC 조합 R5/R6 = 120Ω, C3/C4 = 4.7nF로 구현한다. 외부 3.3V, 5V, 12V 전원은 표준 전원에 의해 제공되고 필터링 네트워크에 의해 필터링된다.

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그림 3. DPI 및 방사 테스팅을 위한 테스트 구성 

테스트 절차


테스트는 일반 모드에서 동작하는 MAX13041 CAN 트랜시버로 수행한다. 차지 펌프는 고정 주파수 모드에서 한 번, 스킵 모드에서 또 한 번의 테스트 실행 동안 동작한다. 1차 테스트 실행은 표준 VCC = 5V 전원이 제공되는 모든 트랜시버로 수행한다. 패턴 발생기는 50%의 듀티 사이클을 갖는 구형파를 발생시켜 노드 1의 TXD 핀에서 250kbps의 CAN 신호(영구적으로 0-1-0을 교대로 발생)를 시뮬레이팅한다. RF 입력의 HF 발생기(HF1)는 36dBm의 전력에 대응하여 일정한 주파수를 갖는 진폭 변조 (AM) AC 전압을 CAN 라인으로 주입하여 무선 장해를 시뮬레이트한다.

내성을 평가하기 위해 네트워크에 총 3개 트랜시버의 RX 신호는 오실로스코프를 사용하여 이러한 무선 장해의 영향 하에서 TXD로 공급되는 신호와 비교된다. 허용되는 최대 전압 편차 ±0.9V 및 허용되는 최대 시간 편차 ±0.2µs를 갖는 검증 마스크가 전체 TXD 신호 파형에 걸쳐 오버레이된다.

오류 기준이 참이면(즉, 트랜시버의 RX 신호 중 하나가 검증 마스크 윈도우를 벗어나면), 주입된 RF 전력은 0.2dBm만큼 감소하고 오류 기준이 거짓이 될 때까지 특정 주파수 스텝에서 동일한 테스트를 반복한다. 그런 다음 전류 전력 값을 기록하고, 다음 주파수 스텝을 조정한다. 테스트는 10MHz ~ 100MHz 주파수 범위에서 수행된다.

DPI 테스트 결과


그림 4는 VCC에 표준 5V 전원이 제공되는 MAX13041(청색)과 고정 주파수 모드에서 동작하는 차지 펌프(적색) 및 스킵 모드에서 동작하는 차지 펌프(녹색)에 의해 전원이 제공되는 MAX13041의 테스트 결과 곡선을 보여준다. X축은 주파수 범위를 나타내며 Y축은 오류 없이 주입되는 최대 전력을 나타낸다. 녹색과 적색 라인은 청색 라인(차지 펌프 없는 MAX13041)과 거의 동일하기 때문에 회로의 EMI 특성은 차지 펌프가 아닌 CAN 트랜시버의 EMI 민감성에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 따라서 MAX13041 CAN 트랜시버에 MAX683 차지 펌프로 전원을 제공하는 것은 회로의 EMI 특성에 큰 영향을 미치지 않는다. 

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그림 4. DPI 테스트 결과

방사 테스트


방사 테스트는 파워 인젝터(HF 발생기)를 스펙트럼 분석기로 대체하는 점만 제외하면 DPI 테스트와 동일한 테스트 보드와 테스트 구성으로 수행된다. 테스트는 여기에서도 일반 모드에서 동작하는 CAN 트랜시버로 수행된다. 차지 펌프는 스킵 모드에서 한 번, 고정 주파수 모드에서 또 한 번의 테스트 실행 동안 동작하도록 설정된다. 1차 테스트 실행은 표준 VCC = 5V 전원이 제공되는 모든 트랜시버로 수행한다. CAN TXD 입력에서는 인가된 구형파(250kbps의 송신 비트 스트림을 시뮬레이팅)가 유지되며, CAN 라인상의 방사는 100kHz ~ 1GHz의 주파수 범위에서 스펙트럼 분석기에 의해 측정되고 기록된다. DSO는 필요하지 않다(그림 3). 

방사 테스트 결과


그림 5는 VCC의 표준 5V 전원이 제공되는 MAX13041(청색)과 고정 주파수 모드에서 동작하는 MAX683 차지 펌프에 의해 전원이 제공되는 MAX13041(녹색)의 EME 생성 곡선을 보여준다. 그림 6은 표준 5V 전원 MAX13041(분홍색)과 스킵 모드에서 동작하는 MAX683 차지 펌프에 의해 전원이 제공되는 MAX13041(적색)을 비교한 것이다. X축은 주파수 범위를 나타내며 Y축은 무선 장해의 레벨을 나타낸다.

여기에서도 녹색과 적색 라인(차지 펌프에 의해 전원이 제공되는 트랜시버)은 표준 5V 전원을 갖는 MAX13041의 라인(청색과 분홍색)과 거의 동일하기 때문에 회로의 방사 특성은 차지 펌프가 아닌 CAN 트랜시버의 방사 양립성에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 이 테스트 결과는 시스템의 전체 EMC 특성에 큰 영향을 미치지 않으면서 CAN 트랜시버에 차지 펌프로 전원을 제공하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다.

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그림 5. 표준 5V 전원이 제공되는 MAX13041(청색)과 고정 주파수 모드에서 동작하는 MAX683 차지 펌프에 의해 전원이 제공되는 MAX13041(녹색)의 EME 곡선

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그림 6. 표준 5V 전원이 제공되는 MAX13041(분홍색)과 스킵 모드에서 동작하는 MAX683 차지 펌프에 의해 전원이 제공되는 MAX13041(적색)의 EME 곡선

결론


CAN 애플리케이션이 특히 스위칭 전압 레귤레이터(차지 펌프)에 의해 전원이 제공되는 경우 전자기 적합성은 달성하기 어려운 과제일 수 있다. 그러나 이 애플리케이션 노트에서는 회로의 EMC 특성이 차지 펌프가 아닌 CAN 트랜시버의 EMC에 의해 결정된다는 것을 보여주었다. 

저전력, 저전압 동작 및 저렴한 비용이 요구되는 애플리케이션을 위해 MAX13041에 MAX683 차지 펌프 전원을 제공하는 것은 5V 공급 전원을 곧바로 사용할 수 없는 시스템 설계자에게 하나의 선택 사항이다.

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