CN105684370B - 总线系统的用户站和减少总线系统中的有线发射的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于总线系统（1）的用户站（10；30）和一种用于减少总线系统（1）中的有线发射的方法。该用户站（10；30）包括用于使总线系统（1）中的切换沿对称的边沿控制装置（120）。该边沿控制装置（120）具有用于产生在总线系统（1）的总线（40）上的额定电压变化过程的元件（121、122、124、125）和用于将所产生的额定电压变化过程传输到总线（40）上的电流镜（130）。

Description

总线系统的用户站和减少总线系统中的有线发射的方法

技术领域

本发明涉及一种用于总线系统的用户站和一种用于减少总线系统中的有线发射（Leitungsgebundene Emissionen）的方法，以便满足总线系统对信号对称化的要求。

背景技术

CAN总线是一种对信号对称化具有高要求的差分总线系统。在这种情况下适用：信号对称化越好，在用户站（诸如汽车收音机（Autoradio））处的干扰辐射和干扰越小。反相的信号CAN_H和CAN_L必须这样被控制，使得它们的平均值尽可能小得与中间电压（Mittenspannung）VCC5/2=2.5V有偏差。

目前，信号对称化通过如下方式被获得：向接地GND的与到电位VCC5的开关的电阻被平衡，使得在总线的显性状态（其中信号的电压差CAN_H-CAN_L有为大约2V的值）下平均值电压为2.5V。开关电阻的均衡例如通过智能的确定尺寸、通过调整（Abgleich）或者通过例如在DE10250576A1中所描述的调节电路而发生。

然而有问题的是：因为向VCC5的开关（上拉开关（Pull-Up-Schalter））和向GND的开关（下拉开关（Pull-Down-Schalter），GND＝Ground＝接地）具有不同的特性，所以在切换过程期间的对称化仅是有缺陷的。总电压在转接瞬间展现了电压峰值（尖峰（Spikes）），所述电压峰值导致了在高频范围、即超过1MHz的范围中的差的辐射性能。在现有技术中，这些进行干扰的电压峰值通过共模扼流圈（common mode choke）被抑制。然而，这种共模扼流圈是附加的部件，所述附件的部件造成了费用并且必需大多只是很有限地可支配的附加位置。

发明内容

因而，本发明的任务是：提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，所述用户站和方法解决之前所提到的问题。尤其是应该提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，在所述用户站和方法的情况下，在切换过程中的对称化、所辐射的干扰的显著降低、在没有共模扼流圈的情况下的运行和显性总线状态的对称化是可能的。

该任务通过一种根据专利权利要求1所述的用于总线系统的用户站来解决。该用户站包括用于使总线系统中的切换沿对称的边沿控制装置（Flankensteuerung），其中该边沿控制装置具有用于产生在总线系统的总线上的额定电压变化过程的元件和用于将所产生的额定电压变化过程传输到总线上的电流镜。

利用该用户站，对在总线系统的CAN_H和CAN_L中的电流的较好的控制静态地（statisch）并且在切换沿期间在从显性状态转换到隐性状态的情况下以及相反地在从隐性状态转接到显性状态的情况下是可能的。

此外，该用户站在有所入射的干扰时还有高的免疫力，这可以通过DPI测试（DPI＝Direct Power Injection＝直接能量入射）、BCI测试（BCI＝大电流注入（Bulk CurrentInjection）＝电流注入到电缆束中）被证明。公知的整流和存储效应已过时。

此外，利用该用户站还可在IC终端测试（IC＝Integrated Circuit＝集成电路）中实现对称化的可调整性，这涉及OTP编程（OTP＝One Time Programmable (Memory)＝一次性可编程（存储器））。OTP编程被用于IC的参数和功能调整。

该用户站的另一优点在于：运行在没有共模扼流圈的情况下成为可能。

该用户站的有利的其它的构建方案在从属专利权利要求中被说明。

用于产生额定电压变化过程的元件例如可包括密勒电容器，所述密勒电容器一方面被连接到PMOS晶体管上而另一方面被连接到电阻上。

也可能的是：用于产生额定电压变化过程的元件包括两个电流源，所述两个电流源被连接到PMOS晶体管上。

按照本发明的构建方案，边沿控制装置包括两个电流源、密勒电容器、PMOS晶体管和电阻。在这种情况下，所述两个电流源和所述密勒电容器可以被连接在PMOS晶体管的栅极上。

可能利用在布局（Layout）中相同地被构造的MOS低压晶体管来形成电流镜。

按照另一可能性，电流镜通过MOS高压晶体管与总线相连。所述MOS高压晶体管是共源共栅晶体管，利用所述共源共栅晶体管实现边沿控制装置的电路与总线的很大程度的分离。

此外，该用户站还可具有用于保护电路防止总线系统中的显性电平的电位的反极性保护二极管（Verpolschutzdiode）和用于保护电路防止信号CAN-L的反极性保护二极管。

之前所描述的用户站可以是总线系统的部分，所述总线系统具有总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站通过总线这样彼此相连，使得它们可以彼此进行通信，其中所述至少两个用户站中的至少一个是之前所描述的用户站之一。

此外，之前所描述的任务还通过一种根据专利权利要求10所述的用于减少总线系统中的有线发射的方法来解决。在该方法中，用于使总线系统中的切换沿对称的边沿控制装置利用用于产生额定电压变化过程的元件产生在总线上的额定电压变化过程并且通过电流镜将该额定电压变化过程传输到总线。

该方法提供与之前关于用户站被提到的优点同样的优点。

本发明的其它的可能的实施方案也包括之前或者在下文关于实施例方面所描述的特征或者实施形式的没有明确被提到的组合。在此，本领域技术人员也将添加单个方面作为对本发明的相应的基本形式的改进方案或者补充方案。

附图说明

随后，本发明参考附图并且依据实施例进一步被描述。

图1示出了按照第一实施例的总线系统的简化的方框电路图；

图2示出了在按照第一实施例的总线系统中的总线信号在时间上的额定电压变化过程；和

图3示出了按照第一实施例的总线系统的用户站的信号对称化装置的电路图；

在这些附图中，只要不另作说明，相同的或者功能相同的要素就被配备有同样的参考符号。

具体实施方式

图1示出了例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等等的总线系统1。总线系统1可以在车辆（尤其是机动车）、飞机等等中或者在医院等等中得到应用。

在图1中，总线系统1有多个用户站10、20、30，所述用户站10、20、30分别被连接到具有第一总线芯线（Busader）41和第二总线芯线42的总线40上。总线芯线41、42也可以被称作CAN_H和CAN_L并且用于在发送状态下将占主导的电平耦合输入（Einkopplung）。消息45、46、47可以以信号的形式通过总线40在各个用户站10、20、30之间被传输。用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。

如在图1中示出的那样，用户站10、30分别有通信控制装置11、发送装置12和接收装置13。而用户站20有通信控制装置11和发送/接收装置14。用户站10、30的发送装置12、接收装置13和用户站20的发送/接收装置14分别直接被连接到总线40上，即使这在图1中没有被示出也如此。

通信控制装置11用于控制相应的用户站10、20、30通过总线40与被连接到总线40上的用户站10、20、30中的另一用户站的通信。发送装置12用于发送信号形式的消息45、47并且用于减少总线系统1中的有线发射，以便满足总线系统1对信号对称化的要求，如稍后还更详细地被描述的那样。有线发射可出现在总线40上。通信控制装置11可以如传统的CAN控制器那样被实施。接收装置13关于其接收功能性可以如传统的CAN收发器那样被实施。发送/接收装置14可以如传统的CAN收发器那样被实施。

图2示出了在时间t上的具有切换沿51、52的电压变化过程U，如该电压变化过程U由在图3中更精确地被示出的发送装置12所产生的那样。切换沿51对应于信号从显性状态53到隐性状态54的转变。切换沿52对应于信号从隐性状态54到显性状态53的转变。所示出的电压变化过程有切换沿51、52，如要由发送装置12产生的额定电压变化过程那样。

按照图3，发送装置12包括借助于模拟（Nachbildung）密勒电容器121和电流源122的边沿控制装置120，包括几乎无延迟的电流镜130、输出电流镜CAN_H 140和输出电流镜CAN_L 145。

除了密勒电容器121和电流源122之外，边沿控制装置120还包括开关元件123和PMOS晶体管124。密勒电容器121被连接到PMOS晶体管124的栅极上。此外，电流源122通过开关元件123还被连接到PMOS晶体管124的栅极上。密勒电容器121在它的另一侧与PMOS晶体管124的漏极相连。电阻125将在PMOS晶体管124的漏极上的所产生的电压斜坡转换为用于电流镜131的输入端的电流信号。在此，电阻124预先给定在总线芯线41（CAN_H）和总线芯线42（CAN_L.）中的最大短路电流。

此外，除了NMOS电流库131（NMOS-Strombank）之外，电流镜130还包括随后也被称为NMOS-HV共源共栅132的NMOS高压共源共栅132和用于低压（low voltage）的PMOS电流镜133。NMOS-HV 共源共栅132与输出电流镜140相连。PMOS电流镜133与输出电流镜145相连。输出电流镜CAN_H 140是用于CAN_H输出电流产生（Ausgangstromerzeugung）的针对低压（low voltage）的PMOS电流镜。输出电流镜CAN_L 145是用于CAN_L输出电流产生的针对低压（low voltage）的NMOS电流镜。

随后也被称作PMOS-HV共源共栅141的PMOS高压共源共栅141被连接到输出电流镜CAN_H 140上。PMOS-HV共源共栅141对于故障情况“CAN_H对-27V短路”来说成为必需的。除此之外，用于保护电路防止CAN_H的正过压的反极性保护二极管142被连接到输出电流镜CAN_H 140上。参照（bezogen zu）在反极性保护二极管142之后的正的电压供给的负电位

ch_n被施加到PMOS-HV共源共栅141上。

随后也被称作NMOS-HV共源共栅146的NMOS高压共源共栅146被连接到输出电流镜CAN_L 145上。NMOS-HV共源共栅146对于故障情况“CAN_L对40V短路”来说变成必需的。除此之外，反极性保护二极管147被连接到输出电流镜CAN_L 145上。该反极性保护二极管147在故障情况“CAN_L对-27V短路”中变成必需的。相对于接地的正电位

ch_p被施加到NMOS-HV共源共栅146上。

具有以电阻143结束的总线芯线41、42的总线40在PMOS-HV共源共栅141与反极性保护二极管147之间被切换。因此，电阻143有与总线40的波阻抗相同的阻抗，因此在总线40上不发生反射。在这种情况下，总线芯线41代表信号CAN_H的传输，而总线芯线42代表信号CAN_L的传输。

之前所描述的电路关于电阻143强烈地被简化。在现实中，每两个串联的用于结束的60Ω电阻存在于总线芯线41、42的每个线路端部上。相应的中点被规定到2.5V上。

在图3的发送装置12的情况下，在总线40上的额定电压变化过程内部地借助于包括密勒电容器121、电流源122、PMOS晶体管124和电阻125的副本元件（Replikaelement）被产生，并且接着通过电流镜140、145被传输到总线40。利用密勒电容器121、电流源122、PMOS晶体管124和电阻125获得边沿控制装置。利用在布局中相同地被构造的MOS低压晶体管形成电流镜133、140、145，以便在图3中所示出的电路的CAN_H和CAN_L支路中获得相同的信号延迟以及相同的饱和性能。

因此，利用边沿控制装置120实施用于减少总线系统1中的有线发射的方法。在这种情况下，用于使总线系统1中的切换沿对称的边沿控制装置120利用用于产生额定电压变化过程的元件来产生在总线40上的额定电压变化过程并且将该额定电压变化过程通过电流镜130传输到总线40。

所必需的耐压强度借助于由MOS高压晶体管形成的共源共栅级（Kaskodestufe）、也就是共源共栅132、141、146来实现。

如从图3中可看出的那样，边沿控制装置120的电路尽可能地与总线40分开，所述总线40通过总线芯线41、42和电阻143来表示。该优点通过共源共栅晶体管、也就是共源共栅132、141、146被实现。所入射的干扰（如通过DPI、BCI等等所入射的干扰）由如边沿控制装置120那样的灵敏的块来阻止。公知的整流和存储效应已过时。

因此，由于边沿控制装置120，在总线40上的切换过程、即从隐性向显性或者相反的期间，在CAN_H和CAN_L上存在相同的电流。经此，在CAN_H、即总线芯线41和CAN_L、即总线芯线42上的相同的内阻的情况下有理想的或者几乎理想的切换过程。电流源122、在PMOS晶体管124上的密勒电容器121和电阻125被协调到与总线40相结合的开关性能，使得只形成微小的同相干扰。

按照第二实施例，对应于显性状态53的显性总线状态被对称化。更精确地说，在输出电流镜CAN_H 140与输出电流镜CAN_L 145的方向上的电流的比例被调整。借此可以避免在不同的信号路径中的由于器件失配（器件Mismatch）而可出现的电流误差。有利地，将NMOS电流库131构造为可调整的。否则，总线系统1如在第一实施例中所描述的那样被构造。

总线系统1、用户站10、30、发送装置12和所述方法的所有之前被描述的构建方案都可以单个地或者以所有可能的组合得到应用。尤其是，实施例的特征的任意组合是可能的。附加地，尤其是接下来的修改方案是可设想的。

按照所述实施例的总线系统1尤其是CAN网络或者CAN FD网络或者FlexRay网络。

在所述实施例的总线系统1中的用户站10、20、30的数目和布置是任意的。在所述实施例的总线系统1中，尤其是也可以只有用户站10或者只有用户站30或者只有用户站10、30存在。

之前所描述的用户站10、30和由它们实施的方法可以特别有利地被应用在经过修改的数据协议中，所述经过修改的数据协议已经被公布于2011年5月2日在因特网页http://www.semiconductors.bosch.de/上被公开的文献“CAN with Flexible Data-Rate（白皮书，版本1.0）”上，并且所述经过修改的数据协议此外还使得增大数据域成为可能以及针对在成功的仲裁之后的CAN消息的部分使得缩短比特长度成为可能。

用户站10、30特别地对于CAN-FD来说呈现出如下可能性：在使用明显更高的数据率时提高CAN-FD的在常见的CAN传输的范围中的发送品质。

之前所描述的实施例的功能性也可以在收发器或发送/接收装置13中或者在通信控制装置11等等中被实现。附加地或者可替换地，发送装置12可以被集成到现存的产品中。

Claims (9)

1.用于总线系统（1）的用户站（10；30），所述用户站（10；30）具有

用于使总线系统（1）中的切换沿对称的边沿控制装置（120），

其中，所述边沿控制装置（120）具有：

用于产生在总线系统（1）的总线（40）上的额定电压变化过程的元件（121、122、124、125），和

用于将所产生的额定电压变化过程传输到总线（40）上的电流镜（130），

其中，所述用于产生在总线系统（1）的总线（40）上的额定电压变化过程的元件（121、122、124、125）包括电流源（122）和密勒电容器（121），其中所述密勒电容器（121）一方面被连接到PMOS晶体管（124）的栅极上而另一方面被连接到PMOS晶体管（124）的漏极和电阻（125）上，所述电流源（122）通过开关元件（123）被连接到PMOS晶体管（124）的栅极上。

2.根据权利要求1所述的用户站（10；30），其中，所述用于产生在总线系统（1）的总线（40）上的额定电压变化过程的元件（121、122、124、125）包括两个电流源（122），所述两个电流源（122）被连接到PMOS晶体管（124）上。

3.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），其中，所述边沿控制装置（120）包括两个电流源（122）、密勒电容器（121）、PMOS晶体管（124）和电阻（125）。

4.根据权利要求3所述的用户站（10；30），其中，所述两个电流源（122）和所述密勒电容器（121）被连接在PMOS晶体管（124）的栅极上。

5.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），其中，所述电流镜（130）利用在布局中相同地被构造的MOS低压晶体管来形成。

6.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），其中，所述电流镜（130）通过MOS高压晶体管（141、146）与总线（40）相连。

7.根据权利要求1或2所述的用户站（10；30），所述用户站（10；30）此外还具有用于保护电路防止总线系统（1）中的占主导的电平的电位的反极性保护二极管（142）和用于保护电路防止信号CAN-L的反极性保护二极管（147）。

8.总线系统（1），其具有

总线（40），和

至少两个用户站（10、20、30），所述至少两个用户站（10、20、30）通过总线（40）彼此相连，使得所述至少两个用户站（10、20、30）能够彼此进行通信，

其中，所述至少两个用户站（10、20、30）中的至少一个是根据上述权利要求之一所述的用户站（10；30）。

9.用于减少总线系统（1）中的有线发射的方法，其中，用于使总线系统（1）中的切换沿对称的边沿控制装置（120）利用用于产生额定电压变化过程的元件（121、122、124、125）来产生在总线系统（1）的总线（40）上的额定电压变化过程并且将所述额定电压变化过程通过电流镜（130）传输到总线（40），其中，所述用于产生额定电压变化过程的元件（121、122、124、125）包括电流源（122）和密勒电容器（121），其中所述密勒电容器（121）一方面被连接到PMOS晶体管（124）的栅极上而另一方面被连接到PMOS晶体管（124）的漏极和电阻（125）上，所述电流源（122）通过开关元件（123）被连接到PMOS晶体管（124）的栅极上。

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