CN105144638B - 低功率本地互连网络(lin)接收器及其操作方法 - Google Patents

低功率本地互连网络(lin)接收器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种本地互连网络LIN接收器，其包含用于休眠及静默模式两者的单一低功率结构，其中单一比较器用于在休眠及静默模式两者期间以及在活动模式期间检测LIN信令。在一些实施例中，使用低到5微安培的电流来实施完全接收能力。特定来说，用于唤醒组块的显性及隐性电平与标准LIN电平的显性及隐性电平相同，固定于约3.5V处。因此，在休眠模式期间可得到完全LIN接收能力。

Description

低功率本地互连网络(LIN)接收器及其操作方法
技术领域
本发明涉及本地互连网络(LIN)，且特定来说，涉及本地互连网络接收器。
背景技术
本地互连网络(LIN)为用于在车辆中的组件之间通信的串行网络协议。其被定义为时间触发的主从网络，消除对在同时报告装置之中的仲裁的需要。其是使用单线通信总线予以实施，所述单线通信总线减少布线及导线需求，且因此有助于节省重量、空间及成本。
针对LIN协会的车辆子网络应用的低成本实施方案而特别界定，LIN协议实现显著成本减少，这是由于其相当简单且经由异步串行接口(UART/SCI)而操作，且从属节点为自同步的且可使用芯片上RC振荡器而不是晶体或陶瓷共振器。
为了使LIN网络中的总电流消耗维持在可接受的水平，增加LIN网络中的从属节点的数目需要使所述节点中的每一者的电流消耗越来越低。
LIN网络操作模式包含：活动模式，其具有完全接收及发射能力；静默(低功率)模式，其中提供完全接收能力，但不提供发射能力；及休眠(断电)模式，其中仅启用唤醒能力。在静默模式中的电流消耗为约50微安培，而在休眠模式中的电流消耗为约5微安培到10微安培。因此，仅需要接收能力的消费者必须在静默模式中操作，从而消耗50微安培。
通常，使用给定集成电路中的相异专用组块(bloc)来实施静默模式及休眠模式功能性。
特定来说，针对“显性”(逻辑低)及“隐性”(逻辑高)电平的LIN总线信令阈值是以电池电压的一半(Vbat/2)为中心，其中通常需要0.1Vbat磁滞。即，隐性到显性阈值为大约0.45*Vbat，而显性到隐性阈值为大约0.55*Vbat。因此，需要窗口比较器来识别总线信号。然而，Vbat可在从6伏特到30伏特的范围内，其需要针对窗口比较器的宽共模范围顺应性。即，Vbat/2(及LIN信号)电压可在电压模式(即，静默及操作)期间显著地超过窗口比较器的输入电压范围。因此，匹配分压器通常用于产生位于窗口比较器的输入电压范围内的Vbat/2及LIN电压的匹配分率。
由于需要围绕电压模式窗口比较器的显著开销(电压调节器、外部偏压等等)，故在电压模式中的LIN接收器的总体电流消耗超过在休眠模式期间的需求。因此，电压模式LIN接收器比较器无法用作唤醒电路比较器。
为了在休眠模式期间节省功率，唤醒电路比较器通常比较LIN总线电压与晶体管Vt(阈值电压)或晶体管Vt的总和。这引起非常简单且低功率的电路，但另一方面，其也需要恒定检测电平，所述恒定检测电平在3.5伏特到4伏特的范围内，而不是标准一半电池电压Vbat/2。因此，唤醒电路无法用于接收总线数据。
发明内容
现有技术中的这些及其它缺点在很大程度上是由根据本发明的实施例的系统及方法克服。
根据一些实施例的LIN接收器包含用于休眠及静默模式两者的单一低功率结构，其中单一比较器用于在休眠及静默模式两者期间以及在活动模式期间检测LIN信令。在一些实施例中，使用低于10微安培且低到5微安培的电流来实施完全接收能力。特定来说，针对此接收器(当用作唤醒组块时)的显性及隐性电平与标准LIN电平的显性及隐性电平相同，为电池电压的一半(Vbat/2)，而不是固定于针对基本唤醒接收器的约3.5伏特到4伏特。因此，在休眠模式期间可得到完全LIN接收能力。
根据实施例的本地互连网络接收器包含：电池电压输入；来自本地互连网络(LIN)总线的输入；及电流镜，其经配置以反映由耦合到感测电阻器中的电池电压输入的参考电阻器界定的电流，使得在感测电阻器的输出点处的电压界定在静默及休眠模式中的LIN总线的显性及隐性状态。根据实施例的本地互连网络(LIN)接收器包含共同电路，其经配置以在活动、静默及休眠模式期间检测LIN总线的显性及隐性状态。在一些实施例中，共同电路包含电流镜，其经配置以反映由耦合到感测电阻器中的电池电压输入的参考电阻器界定的电流，使得在感测电阻器的输出点处的电阻界定LIN总线的显性及隐性状态。
根据实施例的方法包含：在休眠模式中操作本地互连网络(LIN)接收器；在静默模式中操作LIN接收器；其中在休眠模式中操作及在静默/活动模式中操作包括使用共同电路来检测LIN总线的显性及隐性状态。在一些实施例中，共同电路包含电流镜，其经配置以反映由耦合到感测电阻器中的电池电压输入的参考电阻器界定的电流，使得在感测电阻器的输出点处的电压界定LIN总线的显性及隐性状态。
附图说明
所属领域的技术人员可通过参考附图而更较好地理解本发明及明白其许多目标、特征及优点。不同图式中的相同参考符号的使用指示相似或相同项。
图1为说明示范性电路操作的图解。
图2A到图2C为说明根据各种实施例的示范性接收器的图解。
图3为说明根据实施例的示范性接收器的图解。
图4为说明根据实施例的示范性电源及比较器电路的图解。
图5为说明根据实施例的示范性接收器的图解。
图6为说明根据实施例的示范性接收器的图解。
图7为说明根据实施例的示范性电路的图解。
具体实施方式
参考附图中所说明及以下描述中所详述的示范性(且因此为非限制性)实施例来更充分地解释本发明及其各种特征及有利细节。可忽略已知编程技术、计算机软件、硬件、操作平台及协议的描述，以免不必要地混淆本发明的细节。然而，应理解，在指示优选实施例时，仅作为说明而不是作为限制来给出详细描述及特定实例。所属领域的技术人员将从本发明中明白基础发明概念的精神及/或范围内的各种取代、修改、添加及/或重新布置。
如本文中所使用，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”或其任何其它变化打算涵盖非排他性包含。举例来说，包括元件列表的过程、产品、物品或设备未必仅限于那些元件，而是可包含未明确地列出或此类过程、产品、物品或设备所固有的其它元件。此外，除非有相反的明确叙述，否则“或”是指包含性或，而不是指排他性或。举例来说，由以下各者中的任一者满足条件A或B：A为真(或存在)且B为假(或不存在)、A为假(或不存在)且B为真(或存在)，及A与B两者都为真(或存在)。
另外，本文中给出的任何实例或说明无论如何不应被视为是对与其一起利用的任何一或多个术语的限定、限制或明确界定。代替地，这些实例或说明应被视为是关于一个特定实施例而描述且仅被视为说明性的。所属领域的技术人员将了解，与这些实例或说明一起利用的任何一或多个术语囊括其它实施例以及这些实施例的实施方案及改编，其可或可不随之给出或在本说明书中的别处给出，且全部此类实施例打算包含于所述一或多个术语的范围内。指定此类非限制性实例及说明的语言包含但不限于：“举例来说”、“例如”、“在一个实施例中”及其类似者。
如上文所提及，典型LIN接收电路需要用于静默/活动模式及休眠模式信号检测/功能性的单独电路系统。如将在下文中更详细地所论述，根据一些实施例的LIN接收器包含用于休眠及静默/活动模式两者的单一低功率结构。特定来说，针对唤醒组块的显性及隐性电平与标准LIN电平的显性及隐性电平相同，固定于电池电压的一半(Vbat/2)处。因此，在休眠模式期间可得到完全LIN接收能力。即，提供满足针对在紧凑结构中的休眠及静默/活动模式操作的全部LIN需求的单一电路。
现在转到图1，展示说明LIN接收器输入电路100的实施例的操作的图解。如将在下文中更详细地所解释，通过镜像比率来实施磁滞。参考电阻器R0耦合在Vbat与接地(GND)之间。具有参考电阻器的值的一半(R0/2)的感测电阻器R1耦合到LIN。参考电阻器中的电流为Vbat/R0。在感测电阻器中镜射此电流，诱发Vbat/2的电压降。测量在感测电阻器的冷点处的电压(Vrxd)。
根据LIN规格，当Vlin大于Vbat/2时，LIN总线为隐性，而如果Vlin小于Vbat/2，那么LIN总线为显性。由于Vrxd＝Vlin–Vbat/2，故当Vrxd为正时，LIN总线为隐性，而当Vrxd为负时，LIN总线为显性。
图2A中展示根据实施例的示范性接收器200的简化图。更特定来说，电路包含电流镜输入100a(相似于图1的电流镜输入)、低通滤波器204及数字输出缓冲器202。电流镜电路100a包含耦合在参考电阻器R0与Vbat之间的增益补偿二极管连接的MOS M0。由于跨越二极管连接的MOSFET M0、M1中的每一者的电压为Vt，故跨越R0的电压为Vbat–2Vt，且电流为(Vbat–2Vt)/R0。跨越感测电阻器R1的电压降则为Vbat/2–Vt。感测电阻器R1的冷点RX是通过镜输出而驱动，且连接到低通滤波器204的输入。数字输出缓冲器202是由等于2Vt的数字电压供应，如将在下文中更详细地所论述。因此，其输入阈值为Vt。因此，当Vlin大于Vbat/2时，Vrx大于Vt且Rxd＝1(隐性)。当Vlin小于Vbat/2时，Vrx小于Vt且Rxd＝0(显性)。
可通过将电流镜的固定镜像比率改变成RX电平相依比率(如图2B所展示)而实现x*Vbat磁滞。图2A的M2晶体管被分成分别提供(1-x)及2x的镜像比率的两个晶体管M20及M21，且添加与M21串联的开关M22。开关M22是通过由RX输出rxd控制的反相器206而驱动。
当RX输出为隐性(高)时，反相器206的输出低且M22开关断开，因此，R1上的电压降为其标称值的(1-x)，且阈值改变为(1-x)*Vbat/2+x*Vt，即，大约(1-x)*Vbat/2，这是由于Vt比Vbat小。只要Lbus(LIN)降到低于(1-x)*Vbat/2，RX输出就变低，反相器206的输出升高且M22“开启”。因此，阈值改变为(1+x)*Vbat/2+x*Vt，即，大约(1+x)*Vbat/2，这是由于Vt比Vbat小。此产生x*Vbat磁滞。为了产生典型10％Vbat磁滞，因此将x设置为0.1。即，隐性到显性阈值为大约0.45*Vbat，而显性至隐性阈值为大约0.55*Vbat。
应注意，尽管已说明特定低通滤波技术(低通滤波器204)，但可采用许多低通滤波技术。举例来说，可采用如图2C中所展示的现用滤波。在所说明的实例接收器203中，低通滤波电容器C2的冷点(图2A)连接到缓冲器202的z输出。在其它实施例中，C1冷点可代替地连接到缓冲器202的z输出。其它配置是可能的。
参考图3展示根据实施例的接收器电路的另一实例。特定来说，电路300更详细地说明数字输出缓冲器202。大体上相似于图2A的电路200，电路300包含晶体管M3，晶体管M3将电流Ibias供应到电源304，电源304产生2Vt偏置电压Dvdd。比较器302接收低通滤波器204的输出RX_LP，且具有阈值Vt。
图4中更详细地展示Vdd电源及比较器。如所展示，电源304包含晶体管P0及N1到N4，而比较器包含晶体管P5、P7、N6及N8。Vdd在晶体管N2处接收输入电流Ibias且在晶体管N3处接收电池电压Vbat。P0及N1晶体管产生对应于跨越图2A到2C及3的M0晶体管的Vt的2Vt偏置电压。N3在其源极处提供此电压的经缓冲副本。N2提供N3的栅极电压，而镜射N1电流的N4提供N3所需要的偏置电流Ibias。P5到N6及P7到N8晶体管作为两个反相器而串联地操作，其作为具有阈值Vt(1/2*2Vt)的比较器而操作。P5到N6反相器的输出节点可用作用于驱动磁滞监测开关M22(图2B)的反相输出zn。
上述实施例提供用于检测总线电平(隐性或显性)的简单且有效的方式。然而，可另外有必要的是考虑节点RX处的电压摆动。在图2A到2C及图3中所描述的结构的情况下，节点RX及RX_LP(图3)处的电压将在从显性总线电平期间的接近0(gnd)直到总线上的隐性电平期间的接近Vbat/2的范围内。此可超过在许多应用中使用低电压(LV)装置的数字缓冲器202的安全输入操作范围。因此，一些实施例提供在节点RX处的箝位网络。图5中展示实施示范性箝位器的根据实施例的接收器电路。应注意，可提供其它箝位网络。
如图5所展示，使用使其漏极连接到接地、其栅极连接到Dvdd电源(＝2Vt)且其源极连接到RX的M4PMOS装置。在M4的情况下，节点RX上的电压现在限于正侧的3Vt，且其限于负侧的-Uj(其中Uj为结电压)。在M4的情况下，节点RX的最大摆动范围因此限于(+3Vt,-Uj)范围。由于许多实施方案中Vt电压几乎等于Uj，故此范围可经重写为(+3Vt,-Vt)。因此，此范围几乎以等于Vt的接收器阈值为中心。如所展示，箝位诱发相比于接收器阈值的对称行为，且因此当HF干扰叠加到原始总线信号时防止接收器特性的强烈降级。然而，可保持轻微降级。因此，可需要预滤波。图5的接收器205中展示用于实现此预滤波的简单方式。电阻器R1＝Rref/2现在被分成Rref/6的三个串联元件(R10、R11及R12)，保持其总值等于Rref/2。另外，两个电容器C3及C4连接到所产生的中间点以实施此预滤波功能。
应注意，在以上描述中，不具有磁滞的电流镜比率被设置为1(Isense＝Iref)且Rsense/Rref比率被设置为1/2。即，Rsense*Isense等于0.5*Rref*Iref以使跨越感测电阻器的电压降等于跨越参考电阻的电压的一半。因此，可使用任何电流镜Isense/Iref比率。所需满足的唯一条件为使Rref/Rsense＝2*Isense/Iref(或Isense/Iref＝0.5*Rref/Rsense)，其中Isense/Iref为不具有磁滞的镜像比率。
针对预滤波网络可需要高压(HV)电容器。通常，HV电容器具有不良箔电容，且可需要明显大于Rsense(R10+R11+R12)面积的布局面积以满足预滤波网络的所需RC时间常数。因此，在一些实施方案中，基于哪些值将提供用于预滤波区段的最小总体布局面积而确定Rsense值及HV电容器值。接着，可使用以下方程式来确定电流镜增益(G)：G＝Isense/Iref＝0.5*Rref/Rsense(不具有磁滞)。
图6展示基于上文所描述的各种技术的简单的极低功率LIN接收器600的示意图。
应注意，在此接收器的输出处可得到的rxd信号的高电平等于2Vt，其可为太低的电平而不能由整个收发器电路系统(未展示)的其余部分处理。因此，在许多应用中，其将被应用于电平移位器，所述电平移位器将转换rxd信号的电平直到用于由收发器电路系统的其余部分处理的所需电平。用于对信号进行向上电平移位的技术为众所周知的，且因此不在这里予以描述。
在一些实施例中，可使用双镜像电流模式方法，而不是箝位器。图7中展示此类电路。基于补偿二极管MP0、参考电阻器R0及参考电流镜MN0、MN1的感测Vbat区段不变。然而，现在将感测电阻器R1连接到LIN MN3、MN2镜的输入。MN1输出参考电流在MP1、MP2镜中被反映，且与LIN电流镜输出(MN2输出电流)加总，从而产生电流比较器。电流比较器具有反相输出。因此，提供反相器inv1以恢复Rxd接收信号的正确极性。在所说明的实施例中，假定全部电流镜比率为1，且由数字Dvdd电源电压供应MP1/MP2电流镜，但可使用任何其它电源电压。
在操作中，当LIN总线电压大于Vbat/2(隐性)时，感测电阻器R1中的电流大于参考电阻器R0中的电流。因此，MN2电流大于MP2电流，且Rxn节点低。一旦反相，Rxd输出就高，这反映LIN总线上的隐性电平。当LIN总线电压小于Vbat/2(显性)时，LIN感测电流低于参考电流。因此，MN2电流低于MP2电流，且Rxn节点高。一旦反相，Rxd输出就低，这反映总线上的显性电平。在此方法的情况下，可通过额外MN4及MN5晶体管(虚线)而提供电池及总线电压信息。
如上文所提及，在图7的实施例中，为简单起见而可将不具有磁滞的镜比率设置为1。在一些实施例中，这些比率可不等于1。在没有磁滞的情況下，应用规则为Gain(MN2/MN3)＝2*R1/R0*Gain(MN1/MN0)*Gain(MP2/MP1)，以便使跨越感测电阻器R1的电压降等于跨越参考电阻R0的电压的一半。
尽管前述说明书描述特定实施例，但已参考此描述的所属领域的技术人员将明白本文所揭示的实施例及额外实施例的细节的许多变化，且可做出此类变化。在此上下文中，本说明书及图被视为具有说明性而非限制性意义，且全部此类修改意欲包含于本发明的范围内。因此，应由所附权利要求书及其合法等效物确定本发明的范围。

Claims (16)

1.一种本地互连网络接收器，其包括：
电池电压输入；
来自本地互连网络LIN总线的输入；及
电流镜，其经配置以将由参考电阻器界定的电流镜射到感测电阻器中，所述参考电阻器布置于与所述电池电压输入耦合的所述电流镜的第一分支中，所述感测电阻器布置于与来自所述本地互连网络总线的所述输入耦合的所述电流镜的第二分支中，其中所述感测电阻器具有所述参考电阻器的值的一半；其中在所述第二分支中的所述感测电阻器的输出点处的电压界定在活动、静默及休眠模式中的所述LIN总线的显性及隐性状态。
2.根据权利要求1所述的本地互连网络接收器，其中所述电流镜的所述第一分支包括连接在所述电池电压输入与所述参考电阻器之间的二极管。
3.根据权利要求2所述的本地互连网络接收器，其包含耦合在所述感测电阻器的所述输出点处的低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的本地互连网络接收器，其中所述感测电阻器包括单一电阻器。
5.根据权利要求1所述的本地互连网络接收器，其中所述感测电阻器包括多个电阻器。
6.根据权利要求5所述的本地互连网络接收器，其进一步包含在所述电阻器之间的中间连接点处的多个电容器。
7.根据权利要求3所述的本地互连网络接收器，其进一步包含用于补偿所述低通滤波器的输入处的电压摆动的电路系统。
8.根据权利要求7所述的本地互连网络接收器，其中所述用于补偿电压摆动的电路系统包括箝位网络。
9.根据权利要求7所述的本地互连网络接收器，其中所述用于补偿电压摆动的电路系统包括双镜像共模电路系统。
10.根据权利要求3所述的本地互连网络接收器，其包含耦合到所述低通滤波器且具有对应于跨越所述二极管的电压降的输入阈值的输出缓冲器。
11.根据权利要求10所述的本地互连网络接收器，其中所述二极管为二极管连接的MOS晶体管。
12.根据权利要求1所述的本地互连网络接收器，其中在休眠及静默模式两者下的功率消耗实质上相似。
13.根据权利要求1所述的本地互连网络接收器，所述电流镜通过可切换地选择不同镜像比率而实施磁滞。
14.一种用于操作根据前述权利要求中任一权利要求的LIN接收器的方法，其包括：
在休眠模式中操作本地互连网络LIN接收器；
在静默模式中操作所述LIN接收器；
在活动模式中操作所述LIN接收器；
其中在所述休眠模式中操作及在所述静默及活动模式中操作包括使用所述LIN接收器来检测LIN总线的显性及隐性状态。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在休眠模式期间的电流消耗与电池电压成比例。
16.根据权利要求14所述的方法，所述电流镜通过可切换地选择不同镜像比率而实施磁滞。
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