CN110431808B - 具有快速canl控制回路的can发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制器局域网络(CAN)发射器，该发射器包括：输出级电路、输出级电路的被配置为产生复制信号的复制电路、以及被配置为控制CAN发射器的CANL输出信号以便将复制信号保持在期望的水平的控制放大器。

Description

具有快速CANL控制回路的CAN发射器

优先权申请

本申请要求2017年5月23日提交的美国临时申请号62/510,227的优先权，该申请的内容据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及控制器局域网络(CAN)控制，并且具体地讲，涉及具有快速CANL控制回路的CAN发射器。

背景技术

CAN在国际标准组织(ISO)11898规范中定义。ISO 11898是一系列规范，其中ISO11898-1涵盖数据链层，而ISO 118980-2和ISO 118980-3涵盖CAN的物理层。CAN是一种稳健的通信协议。总线上的CAN节点可以检测接收到的消息中的错误，并强制破坏和重新发送该消息。因此，节点接收到的消息包含有效数据。CAN帧要求每个节点都确认该消息，然后该节点才能对其进行处理。只有在对消息执行各种错误条件校验诸如15位循环冗余校验(CRC)之后，才能进行此确认。如果一个CAN节点发现消息有错误，则消息将被破坏并重新发送。

CAN规范为CAN节点定义了三种不同的错误状态，其中每个错误状态为CAN节点提供了不同级别的总线访问。错误状态限制故障节点关闭CAN总线。

CAN包括串行通信，其中CAN总线上的所有节点都使用相同的比特率附接到公共连接。CAN是基于消息的，而不是基于地址的。因此，消息不会基于CAN节点的地址而从一个节点传输到另一个节点。相反，CAN节点会将其消息广播到总线上的所有节点。需要接收节点来确定它是否应该对该消息执行操作。一个或多个节点可对相同的数据执行操作。因此，可能将新节点添加到CAN总线，而不必使用寻址信息来更新现有节点。

由于数据的可靠性，CAN允许在整个网络中进行分布式控制。这允许网络设计者灵活地设置消费者-生产者网络或对等网络。

可使用差分对传输线—CANH和CANL—来执行CAN网络传输。CAN可以指定两种逻辑状态：隐性和显性。在隐性逻辑状态期间，CANH和CANL可为大约相同的电压，或在彼此指定的电压公差范围内。在显性逻辑状态期间，可通过电压差VDiff来分开CANH和CANL。图1示出了使用CAN的示例性差分总线，包括CANH，CANL和VDiff。

在隐性状态中(即，CAN收发器或模块的输入上的逻辑‘1’)，CANH和CANL上的差分电压小于最小阈值(<0.5V接收器输入或<1.5V发射器输出)。在显性状态中(即，CAN收发器或模块的输入上的逻辑‘0’)，VDiff大于最小阈值。显性位在总线上超载隐性位，以实现非破坏性的逐位仲裁。

发明内容

本公开的实施方案包括一种CAN发射器。CAN发射器可包括输出级电路、输出级电路的被配置为产生复制信号的复制电路、以及被配置为控制CAN发射器的CANL输出信号以便将复制信号保持在期望的水平的控制放大器。结合上述实施方案中的任一个实施方案，控制放大器可被进一步配置为控制输出级电路的低侧以生成CANL输出信号。结合上述实施方案中的任一个实施方案，控制放大器可被进一步配置为对CAN发射器的CANH输出信号不提供控制。结合上述实施方案中的任一个实施方案，控制放大器可被进一步配置为在显性状态期间和在隐性状态期间偏压用于CAN发射器的CANL输出信号的晶体管。结合上述实施方案中的任一个实施方案，输出级电路可包括CANL驱动器，该CANL驱动器包括横向双扩散型NMOS晶体管和续流二极管。结合上述实施方案中的任一个实施方案，复制电路可包括被配置为对CAN总线负载进行建模的两个电阻器。结合上述实施方案中的任一个实施方案，两个电阻器的中心节点可作为输入连接到控制放大器。结合上述实施方案中的任一个实施方案，控制放大器可被进一步配置为控制输出级电路的CANL驱动器的NMOS晶体管的栅极电压，以便将复制信号保持在期望的水平。结合上述实施方案中的任一个实施方案，复制电路可小于输出级电路的尺寸的30％。结合上述实施方案中的任一个实施方案，控制放大器可被进一步配置为执行有源前馈以补偿发射器的共模游戏。结合上述实施方案中的任一个实施方案，CAN发射器还可包括耦接到输出级电路和复制电路的发射器的栅极的栅极放电开关。

本公开的实施方案可包括系统、控制器、集成电路设备或微控制器，包括上述实施方案的CAN发射器中的任一个CAN发射器。

本公开的实施方案可包括由上述实施方案的CAN发射器、系统、控制器、集成电路设备或微控制器中的任一者执行的方法。

附图说明

图1是示例性CAN信令的图示。

图2是根据本公开的实施方案的示例性CAN网络的图示。

图3是根据本公开的实施方案的示例性CAN收发器的图示。

具体实施方式

图2是根据本公开的实施方案的示例性CAN网络100的图示。网络100可包括任何合适的数量和种类的CAN节点102。例如，网络100可包括节点102A、102B、102C。节点102可被配置为通过CAN总线116彼此通信。可通过两条线来实现CAN总线116。例如，CAN总线116可包括CANH线120和CANL线118。

节点102可以任何合适的方式实现。图2示出了CAN节点具体实施的示例性变型。例如，可利用微控制器104来实现CAN节点102A。微控制器104可由例如来自本公开的受让人的8位、16位或32位PIC微控制器来实现。微控制器104可能不包括集成CAN模块。因此，CAN节点102A可包括单独实现的CAN模块110A。

网络100中的CAN模块110可被配置为在CAN节点102的CAN收发器112和其余部分之间提供接口。可通过任何合适的机制诸如通过库、软件栈、函数、应用程序、驱动器或用于由处理器执行的指令来实现CAN模块110。CAN收发器112可以任何合适的方式诸如由模拟电路、数字电路、用于由处理器执行的指令或它们的任何合适的组合来实现。CAN模块110可进行CAN收发器112的函数调用以发送和接收数据，或者以其他方式执行CAN协议。CAN节点102的其他元件继而可进行CAN模块110的函数调用。例如，在微控制器110A上运行的软件可通过对CAN模块110A进行函数调用来与其他节点通信，该模块继而可对CAN收发器112A进行函数调用。CAN收发器112A可以通过CAN总线116向或从其他CAN节点102读取以及写入数据。

CAN节点102A可包括微控制器110A，该微控制器不包括集成CAN模块110A。CAN节点102B可包括微控制器110B，该微控制器包括集成CAN模块110B。CAN节点102C可以实现为CAN输入/输出(I/O)扩展器。CAN节点102C可为无微控制器的CAN网络100提供I/O扩展。CAN节点102C可包括外围设备诸如通用IO、A2D、脉冲宽度调制或其他接口以发出根据阈值驱动的周期性或基于事件的消息。

当实现CAN网络100时可能会遇到很多挑战。例如，CAN系统开发可能会遇到电磁兼容性(EMC)问题，诸如电磁干扰(EMI)或电磁环境(EME)。在CAN中，尽管有EMI，仍必须进行差分通信才能工作。此类数字通信可包括甚至在+/-12V的大共模范围内的操作。此外，此类数字通信可包括以最高至36dBm(40V峰值)注入的射频(RF)功率操作。此外，CAN必须在EME中工作，诸如最高至55dBμV(0.6mV)的共模发射最高至20MHz、最高至15dBμV(6μV)的共模发射在75MHz、和2V差分信号幅度。此外，CANL电流和CANH电流可能需要在DC和瞬态两者处以极高的精确度彼此匹配。

参考图1，给定的CAN节点可进行慢速或快速控制以在收发器处生成CANH信号或CANL信号。“快速”或“慢速”方面可指控制回路生成适当的显性信号或隐性信号的速度。具体地讲，CANH控制或CANL控制的“快速”或“慢速”方面可指隐性状态和显性状态之间，或显性状态和隐性状态之间的信号变化的斜率。斜率也可称为信号过渡的转换速率。更快的上升时间和下降时间可支持网络100中的更高的总线速率和更长的总线长度。

图3示出了根据本公开的实施方案的CAN收发器300的更详细视图。收发器300可部分地实现图2的收发器112。收发器300可接收来自收发器的其他部件(未示出)或CAN模块110的信号318。信号318可以是表示要写入CAN网络100的值的位图案的显性逻辑信号或隐性逻辑信号。输出显性信号或隐性信号可写入CANH引脚308或CANL引脚310。CANH引脚和CANL引脚310可分别连接至CANH线118和CANL线120。收发器300可被配置为与其他解决方案相比，执行较快的上升时间和下降时间，以将隐性状态或显性状态写入CANH引脚308和CANL引脚310。

收发器300可包括连接到信号318的电流源320。信号318可被配置为根据所接收的位图案来驱动电流源320的输出。电流源320可以任何合适的方式实现。在一个实施方案中，电流源320可以是浮空电流源。电流源320可以是基于信号318的输入的可编程或可调节电流源。可将注入位图案从电流源320提供到电流镜中。电流镜可包括复制级304和输出级306。

在第一级(输入级)中，VCC 312可连接到收发器300。接地部314可连接到收发器300。VCC 312可连接到晶体管316的源极。晶体管316可以是p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管。电流源320可连接到晶体管316的漏极。电流源320可连接到另一个晶体管322的源极。晶体管322可以是n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。此外，电流源320可连接到晶体管322的栅极。晶体管322的漏极可连接到接地部314。

收发器300可包括复制级304。复制级304可包括连接到VCC 312的晶体管330。晶体管330可以是PMOS晶体管。晶体管330可在其源极处连接到VCC 312。晶体管330的栅极可连接到晶体管316的栅极。晶体管330的漏极可连接到二极管354。二极管354可连接到电阻器350，该电阻器可连接到另一电阻器352。电阻器352可连接到二极管356。二极管356可连接到晶体管332的源极。晶体管332的漏极可连接到接地部314。二极管356、354可为续流二极管。晶体管332的栅极可连接到晶体管322的栅极。晶体管332可以是NMOS晶体管。

收发器306可包括输出级306。输出级306可包括在其源极处连接到VCC312的晶体管338。在一个实施方案中，晶体管338可为横向双扩散型PMOS(LDPMOS)晶体管。在另一个实施方案中，晶体管338可以是具有LDPMOS共源共栅结构的PMOS晶体管。晶体管338可在其栅极处连接到晶体管330的栅极和晶体管316的栅极。晶体管338可在其漏极处连接到二极管340。二极管340可连接到CANH引脚308。CANL引脚310可连接到二极管342。二极管342可连接到晶体管344的源极。晶体管344的栅极可连接到晶体管332的栅极和晶体管322的栅极。晶体管344的漏极可连接到接地部314。在一个实施方案中，晶体管344可为横向双扩散型NMOS(LDNMOS)晶体管。如果不使用符合CAN规格的共源共栅结构电流镜，则可使用此类晶体管。在另一个实施方案中，晶体管344可以是具有LDNMOS共源共栅结构的PMOS晶体管。二极管340、342可为续流二极管。二极管340、342可用于ESD保护和用于反向保护。

在一个实施方案中，收发器306可包括控制放大器328。放大器328的输出可连接到晶体管344的栅极。此外，放大器328的输出可连接到晶体管322、332的栅极。放大器328可通过例如1级、2级或3级运算放大器来实现。在另一个实施方案中，放大器328可接收来自参考分配器302和来自复制级304的输入。例如，放大器328可接收来自参考分配器302的负输入和来自复制级304的正输入，或反之亦然。

参考分配器302可连接到VCC 312。参考分配器302可包括两个电阻器324、326。电阻器326可连接到接地部314。电阻器324、326的值可以相同。参考分配器302可从电阻器324、326之间的节点向放大器328提供参考电压。

从复制级304到放大器328的输入可由电阻器350、352之间的节点提供。电阻器350、352的值可以相同。电阻器324、326、350、352中可使用任何合适的电阻值。参考分配器302可为总计110千欧。电阻器350、352可为例如输出CAN总线电阻器的六倍。此类CAN总线电阻器可以为例如60欧姆。

在一个实施方案中，开关334可设置在VCC 312与晶体管338、330、16的栅极之间。开关334可以是可选的。在另一个实施方案中，开关336可设置在接地部314与晶体管344、332、322的栅极之间。开关336可为任选的，因为图3中的晶体管提供的控制可执行等效功能。开关334、336可由位图案318驱动。硬切换可使用电流源。相比之下，开关334、336可由位图案318驱动。

复制级304可为输出级306的尺寸的分数或该输出级的电流的分数。分数可为例如输出级306的电流的1/10至1/3。在一个实施方案中，可使用1/6的输出状态电流。复制级304可被配置为产生复制信号。复制信号可检测CANH和CANL电流变化的差值。复制信号可以是通过CANH引脚308和CANL引脚310施加到CAN总线的共模信号的估计值。可向放大器328提供复制信号。放大器328继而可被配置为将复制信号保持在期望的水平。期望的水平可由参考分配器302提供的参考电压来表示。具体地讲，放大器328可被配置为通过控制CANL引脚310上的信号来保持复制信号。由复制级304生成的复制信号可通过将放大器328的输出施加到晶体管332的栅极来控制。

可将复制级304植入为输出级306的减小的尺寸(诸如1％-30％)。复制级304可包括CAN网络100上的总线负载的模型。此类模型可由例如电阻器326、330来实现。电阻器326、330的中心抽头可用于输入或反馈到放大器328。放大器328可控制晶体管344的栅极电压。收发器300因此可使用有源前馈来补偿和稳定控制回路以生成CANL引脚310信号。收发器300可使用恒定电压诸如2.5V作为复制电压的目标。收发器300可使用某一比率诸如50％作为复制电压的目标。这可通过参考分配器302来实现。

收发器300可提供优于较慢的CANH控制和CANL控制的优点。通过使用包括图3所示放大器328及其连接的控制电路，收发器300可提供优于使用硬切换来生成CANH信号和CANL信号的优点。在不进行硬切换的情况下，可减小高频发射。其他解决方案可使用开关来在用于CANH和CANL的信号的显性和隐性生成之间进行切换。

在CANL控制期间，可以停用慢的CANH控制。在一个实施方案中，只可(使用NMOS晶体管344)控制CANL信号，而不是由放大器328控制NMOS和PMOS(晶体管338)两者。这可能是由于PMOS镜操作速度比NMOS镜慢。因此，比PMOS(晶体管338)的电容低两倍的晶体管344的NMOS电容可产生更快的控制。在一个实施方案中，控制回路可始终被偏压。当驾驶员处于活动状态时，可启用快速控制。这可通过单独的供应电流(未示出)来实现。在这种情况下，控制回路可在显性状态和隐性状态两者中被偏压。这可提供低侧电流和高侧电流的大带宽和精确匹配。

Claims (23)

1.一种控制器局域网络CAN发射器，包括：

输出级电路；

所述输出级电路的复制电路，所述复制电路被配置为产生复制信号，所述复制信号是通过CANH引脚和CANL引脚施加到CAN总线的共模信号的估计值；和

控制放大器，所述控制放大器被配置为控制所述CAN发射器的CANL输出信号，以便将所述复制信号保持在期望的水平。

2.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述控制放大器被进一步配置为：

控制所述输出级电路的低侧以生成所述CANL输出信号；以及

对所述CAN发射器的CANH输出信号不提供控制。

3.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述控制放大器被进一步配置为在显性状态期间和在隐性状态期间偏压用于所述CAN发射器的所述CANL输出信号的晶体管。

4.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述输出级电路包括CANL驱动器，所述CANL驱动器包括横向双扩散型NMOS晶体管和续流二极管。

5.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述复制电路包括被配置为对CAN总线负载进行建模的两个电阻器。

6.根据权利要求5所述的CAN发射器，其中所述两个电阻器的中心节点作为输入连接到所述控制放大器。

7.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述控制放大器被进一步配置为控制所述输出级电路的CANL驱动器的NMOS晶体管的栅极电压，以便将所述复制信号保持在期望的水平。

8.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述复制电路小于所述输出级电路的尺寸的30％。

9.根据权利要求1所述的CAN发射器，其中所述控制放大器被进一步配置为执行有源前馈以补偿所述发射器的共模游戏。

10.根据权利要求1所述的CAN发射器，还包括耦接到所述输出级电路和所述复制电路的发射器的栅极的栅极放电开关。

11.一种用于控制器局域网络CAN控制的方法，包括：

从CAN发射器的输出级电路的复制电路生成复制信号，所述复制信号是通过CANH引脚和CANL引脚施加到CAN总线的共模信号的估计值；以及

利用控制放大器，控制所述CAN发射器的CANL输出信号，以便将所述复制信号保持在期望的水平。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

控制所述输出级电路的低侧以生成所述CANL输出信号；以及

对所述CAN发射器的CANH输出信号不提供控制。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括在显性状态期间和在隐性状态期间偏压用于所述CAN发射器的所述CANL输出信号的晶体管。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括使用CANL驱动器以驱动输出，所述CANL驱动器包括横向双扩散型NMOS晶体管和续流二极管。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括使用被配置为对CAN总线负载进行建模的两个电阻器。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述两个电阻器的中心节点作为输入连接到所述控制放大器。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括控制所述输出级电路的CANL驱动器的NMOS晶体管的栅极电压，以便将所述复制信号保持在期望的水平。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述复制电路小于所述输出级电路的尺寸的30％。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括执行有源前馈以补偿所述发射器的共模游戏。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括操作耦接到所述输出级电路和所述复制电路的发射器的栅极的栅极放电开关以生成输出。

21.一种微控制器，包括：

处理器；和

根据权利要求1至10中所述的CAN发射器中的任一个CAN发射器。

22.一种用于控制器局域网络CAN控制的系统，包括：

多个CAN接收器；和

多个根据权利要求1至10中任一项所述的CAN发射器，所述多个CAN发射器通信地耦接到所述CAN接收器。

23.一种用于控制器局域网络CAN控制的设备，包括：

CAN接收器；和

根据权利要求1至10中任一项所述的CAN发射器。

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