초크리스 트랜시버로 CAN 버스 구현 간소화

  • 2016-06-03
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글|맥스웰 로버슨(Maxwell Robertson), 애플리케이션 매니저, 산업용 인터페이스 그룹 텍사스 인스트루먼트


초크리스 CAN 트랜시버를 통해 시스템 개발자는 CAN 버스 구현의 크기, 비용 및 복잡도를 줄이면서 엄격한 오토모티브 EMC 요건까지 충족할 수 있다.

자동차의 전자기기 밀집도가 지속적으로 늘어남에 따라 EMC(Electromagnetic Compatibility) 관련한 차량 내 네트워크에 매우 높은 성능을 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 그래야 더 큰 솔루션에 넣어 보통의 (잡음) 환경에서 작동시켰을 때에도 여러 서브시스템들이 계획한 대로 계속해서 제기능을 할 수 있을 것이다.

차량 내 네트워킹 표준들이 서로 다른 경우가 많고 오토모티브 OEM(Original Equipment Manufacturers) 업체마다 EMC 요건도 서로 다르지만, 이 글에서는 특히 까다로운 주제로 알려진 “CAN(Controller Area Network) 버스의 RF(Radio Frequency) 방출”에 초점을 맞추고자 한다.

CAN은 바이너리 데이터를 최대 1 Mbps(“플렉서블 데이터 속도”를 사용하는 경우엔 이보다 높음)의 보드 속도(baud rates)로 전송하는데 밸런스드, 차동 시그널링을 이용한다. 이론상 차동 시그널링을 이용하면 모든 잡음의 외부 커플링이 방지된다. 차동 페어의 반쪽 각각(CANH와 CANL이라함)이 대칭적으로 달라지므로 각각의 잡음 기여분이 파괴적으로 간섭을 하게 된다. 그러나 어떤 CAN 트랜시버도 완벽하게 이상적인 것은 없고 CANH 및 CANL 시그널 사이에 조금만 비대칭이 있어도 차동 시그널은 완벽한 균형을 이룰 수 없다.

이럴 경우, CAN 신호의 공통 모드 부품(CANH 및 CANL 모두의 평균)은 더 이상 일정한 DC 값이 되지 못할 것이다.

불균형의 두 가지 주요 유형이 이러한 잡음으로 이어질 수 있다. 하나는 우성(구동) 상태와 열성(높은 임피던스) 상태에서 일어나는 정상상태(steady-state) 공통 모드 전압 레벨들 간의 불일치이다. 또 다른 하나는 CANH 및 CANL 신호들이, 이 두 가지 상태 사이에서 천이할 때 CANH 및 CANL 사이의 타이밍 차이다.

정상상태 불일치는 CAN 데이터 자체의 크기 변경 버전과 유사한 잡음 패턴을 만들어낸다. 이 잡음 패턴은 그 주파수 콘텐츠가 넓으며, 아주 낮은 주파수까지 고른 간격의 개별 스펙트럼 라인들이 일렬로 나타난다. 타이밍 불일치는 데이터에 에지 변화가 있을 때마다 생기는 짧은 펄스나 동요로 이루어진 잡음 패턴을 만들어낸다. 이 잡음 패턴은 주로 높은 주파수에서 스펙트럼 콘텐츠를 갖는 경향이 있다.

 

그림 1의 파형은 전형적인 CAN 트랜시버의 출력에서 목격되는 공통 모드 잡음을 보여준다. 이 그림에서 검정선(채널 1)은 CANH를, 보라색(채널 2)은 CANL을, 녹색선(수학 함수)은 CANH와 CANL의 합을 나타낸다. 이러한 셈법은 특정 시점에서 공통 모드 전압의 2배와 같은 값을 가진 파형을 내놓는다.

이 공통 모드 파형은 두 잡음 타입을 모두 보여주고 있다. 우성에서 열성/열성에서 우성 천이에 해당하는 고주파수 잡음과 불일치된 우성 및 열성 공통 모드에 해당하는 저주파수 잡음이 그것이다.

시그널의 공통 모드 부분이(방사되거나 전도된 경로를 통해) 시스템의 다른 부품들(또는 외부 시스템)에서 커플링 할 수 있기 때문에, 이 공통 모드 잡음은 바로 방출 성능에 영향을 미친다. 이 디바이스의 전도된 방출은 엔지니어링 서비스마다 IBEE(Industrial Electrical Engineering/Electronics) 츠비카우(Zwickau) 방식에 따라 측정 되며, 그림 2의 공통적인 OEM 업체들의 한계선에 맞춰 그려진다.

 

이 트랜시버의 출력 방출은 저주파수 및 고주파수 영역 모두에서 OEM 조건을 초과한다. 이 방출을 만족스러운 레벨로 낮추기 위해서는 반드시 외부 필터링을 사용해야 한다.

CAN 버스에서 가장 흔히 사용되는 필터 부품이 공통 모드 초크(그림 3 참고)이다. 공통 모드 초크는 공통의 코어를 공유하는 2개의 와이어 코일로 구성된다. 각 코일의 와인딩 방향은 공통 모드 전류(즉 각 코일을 통해 같은 방향으로 흐르는 전류)가 동일한 극성을 공유하는 자속을 가지도록 배열된다. 이렇게 하면 초크가 공통 모드 시그널의 인덕터 역할을 할 수 있으므로, 주파수가 늘어나면 임피던스도 늘어나게 된다. 반대로 차동 모드 전류(즉 각 코일을 통해 반대 방향으로 흐르는 전류)는 자기가 가진 자속으로 반대 극성과 상호작용을 하게 된다.

 

CAN 신호와 같은 균형 파형의 경우, 각 코일의 대립 자속은 크기가 동일할 것이며 따라서, 어떤 순속(net flux)도 코어에 누적되지 않을 것이다. 그러면 초크가 CAN 신호의 짧은 회로 역할을 하게 된다.

이 기법은 CAN 버스의 방출을 줄이는 데 크게 효과적일 수 있다. 예를 들어, 방출 요건을 지키지 못한 것으로 보였던 상기 디바이스를 51 μH 공통 모드 초크로 다시 테스트하자 그 성능이 크게 개선됐다(그림 4).

 

그러나 공통 모드 초크 추가에는 몇 가지 단점이 있다. 공통 모드 초크를 사용했을 때의 단점은 인쇄회로기판(PCB)에 면적이 추가로 필요하다는 점과 BOM(bill of materials) 측면에서 추가 비용이 발생한다는 점이다. 그 외에도 CAN 버스에 좀 더 미묘한 영향을 주는데, 이는 반드시 고려해야 한다. 초크 코일은 연속 인덕턴스를 유도하기 때문에, 이 인덕턴스가 CAN 네트워크의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)와 결합하면 공명이 만들어질 수 있다. 대부분의 주파수 대역에서 공통 모드 잡음을 줄여도 이 공명은 그 공명 주파수에서 잡음의 양을 증가시킨다. 이 효과는 그림 5의 공통 모드 잡음 파형에서 관찰할 수 있다.

 

이 협대역 잡음은 특히 관리하기 어려울 수 있다. 이것은 진폭에서 강력해지는 경향이 있고, 그 주파수는 초크 인덕턴스와 버스 커패시턴스의 차이 때문에 시스템마다 달라질 수 있다. 공통 모드 초크의 인덕턴스 값은 허용오차 범위가 넓게 지정되는 것이 보통이다(공칭으로부터 -30%/+50%). 마찬가지로 CAN 네트워크의 버스 커패시턴스도 사용 중인 케이블링의 종류와 길이, 네트워크의 노드 숫자, 각 노드의 설계에 따라 달라질 것이다.

공통 모드 초크 인덕턴스에서 의도하지 않은 또 다른 결과는 버스에서 큰 과도현상 전압들이 증가할 가능성에 있다. 전원공급장치, 배터리 전압, 시스템 접지 등의 쇼트처럼 오류 상황이 공통 모드 전류에 갑자기 변화를 일으킬 수 있다. 이는 단락이 연결/분리될 때와 CAN 드라이버가 우성 상태와 열성 상태 사이를 천이할 때 발생한다. 초크 인덕턴스를 통해 흐르는 전류가 빠르게 변화하면, 큰 전압 포텐셜이 드라이버 IC의 CAN 터미널에 만들어진다. 어떤 경우에는 이 전압이 CAN 디바이스의 과도현상 과전압 처리능력을 초과해 항구적인 손상을 일으키기도 한다.

공통 모드 초크로 인한 단점을 접하지 않고 방출을 줄일 수 있는 대안이 존재한다. CAN 드라이버의 공통 모드 잡음 출력을 줄이는 것이다. 이것은 간단해 보일 수 있지만, 반도체 제조업체의 세심한 설계가 필요하다. 열성 상태와 우성 상태에서 CANH 및 CANL 전압 레벨은 촘촘하게 제어해야 CAN 버스 파형이 최대한 균형 잡힌 상태를 유지할 수 있다.

또한 CANH 및 CANL 라인들 사이의 변천 시간과 타이밍 스큐를 우성 상태와 열성 상태 사이에서 변천할 때 잘 일치시켜 고주파수 대역에서 발생하는 공통 모드 잡음을 제한해야 한다.

 

그림 6에는 TI의 TCAN1042-Q1 CAN 트랜시버의 과도현상 파형이 나와 있다. 해당 방출 도표는 그림 7에 나와 있다.

TCAN1042-Q1에서 일치되는 출력 스테이지는 매우 낮은 출력 공통 모드 잡음을 내놓는다. 이것은 초크처럼 외부 공통 모드 필터링 부품을 사용하지 않고도 OEM 요건을 통과하기에 적합한 방출 성능을 기대할 수 있다.


결론

오늘날 오토모티브 산업은 CAN 버스의 EMC 문제를 완화하는 방법으로 공통 모드 초크를 흔히 사용하고 있지만, 새로운 고성능 트랜시버가 다소 불필요하게 만들고 있다. 공통 모드 초크를 없애면 CAN 버스 구현이 더 작아지고 더 저렴해지면서도 회로 공명과 유도성 전압 스파이크와 같은 문제들을 피할 수 있다. 

 

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