DE10133441C2 - Schaltungsanordnung zur Spannungssymmetrierung von Datenbussen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungssymmetrierung von Datenbussen gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Druckschrift L. Claus, B. Körber: CAN (High Speed) in Kraftfahrzeugen- EMV-Eigenschaften künftiger Bus-Topologien und -Betriebs­ arten, EMV 2000 Vortrag S. 1-8, Zwickau, 3. November 1999 bekannt. Dort soll ein Datenbus unter dem Gesichtspunkt der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) dadurch verbes­ sert werden, daß jedem Busteilnehmer eine Symmetrierschaltung zugeordnet ist, welche die Spannung zwischen einzelnen Busleitungen, an die der Busteilnehmer angeschlossen ist, auf einem für den Datenbus vorgegebenen nominellen Mitten­ spannungspegel hält. Hierzu sind zwei Busleitungen über zwei in Reihe geschaltete CAN-Abschlußwiderstände miteinander verbunden, die einen ersten Spannungsteiler mit einem ersten Knotenpunkt bilden. Weiter ist ein durch zwei Widerstände gebildeter Symmetrierspannungsteiler vorgesehen, der einen zweiten Knotenpunkt bildet. Der Symmetrierspannungsteiler ist mit seinem ersten Widerstand an einem Versorgungsspan­ nungsanschluß und seinem zweiten Widerstand mit Masse verbun­ den. Die beiden Knotenpunkte der Spannungsteiler sind durch einen elektronischen Schalter miteinander verbindbar. Die Versorgungsspannung liegt nur dann am Symmetrierspannungstei­ ler an, wenn das Steuergerät eingeschaltet ist. Bei abge­ schaltetem Steuergerät kann die hohe Spannung im ersten Knotenpunkt über den Symmetrierspannungsteiler nach Masse gezogen werden.

Die DE 195 25 350 A1 beschreibt einen Leitungsabschluß einer zwei Drähte aufweisenden Leitung, bei der die zwei Drähte durch einen Spannungsteiler miteinander verbunden sind, deren Knotenpunkt gegen ein festes Spannungspotential, insbesondere Masse, geschaltet ist.

Die DE 43 27 035 A1 beschreibt ein Zweidraht-BUS-System mit Mitteln zur Auftrennung von Sendestufen- und/oder Last­ stromkreisen nach Maßgabe ermittelter Störungen, wobei diese Mittel durch bipolare Transistoren gebildet sind.

Bei der eingangs genannten Druckschrift L. Claus, B. Körber tritt im Fehlerfalle einer Überspannung an einer Busleitung das Problem auf, daß bei durchgeschaltetem Transistor zwi­ schen den beiden Knotenpunkten die Überspannung auch zum Symmetrierspannungsteiler gelangt und dessen Widerstände zerstören kann. Zur Vermeidung dieses Problemes müßten diese Widerstände für entsprechend hohen Strom dimensioniert sein, was zu Leistungsverlusten und Störungen führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Schaltungsanord­ nung dahingehend zu verbessern, daß auch bei Überspannungen ein sicherer Schutz gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die beiden Knotenpunk­ te durch einen Feldeffekttransistor zu verbinden, der bei einer Überspannung abschaltet, so daß sich der Transistor selbst schützt und auch die Symmetrierschaltung.

Die Versorgungsspannung und die Spannungsteilerwiderstände der Symmetrierschaltung sind so gewählt, daß am Knotenpunkt der Symmetrierschaltung die nominelle Mittenspannung des Datenbusses anliegt. Bei eingeschaltetem Steuergerät schaltet das Schalterelement durch. Die beiden Knotenpunkte sind dann elektrisch miteinander verbunden und liegen auf dem nominellen Mittenspannungspotential des Datenbusses. Beim Abschalten des Steuergerätes hingegen öffnet das Schalterele­ ment automatisch, wodurch ein "Verziehen" des Potentials am Knotenpunkt des ersten Spannungsteilers über die Symme­ trierschaltung, d. h. eine unerwünschte Beeinflussung des gesamten CAN-Verbundes verhindert wird.

Das Schalterelement ist ein Feldeffekttransistor, wie z. B. ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) oder ein Feld­ effekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGFET), insbesondere ein MOSFET. Ein MOSFET ist besonders geeignet, da er statisch praktisch keine Steuerleistung benötigt. Der Gate-Anschluß des MOSFET liegt hierbei am Versorgungs­ spannungsanschluß an. Der Source-Anschluß sowie der Bulk-An­ schluß sind mit dem Knotenpunkt des Symmetrierspannungstei­ lers verbunden, und der Drain-Anschluß ist mit dem zwischen den Busabschlußwiderständen liegenden Knotenpunkt des ersten Spannungsteilers verbunden.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die einzige Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt zwei CAN-Busleitungsanschlüsse, nämlich einen Busanschluß CAN_H (CAN_High) und einen Busanschluß CAN_L (CAN_Low). Die beiden Busleitungsanschlüsse CAN_H, CAN_L sind über einen ersten Spannungsteiler 1 in Form zweier gleich großer Busabschlußwiderstände R3, R4 miteinander verbunden. Ferner ist eine Symmetrierschaltung 2 vorgesehen, die einen zweiten Spannungsteiler aufweist, der aus Wider­ ständen R1 und R2 besteht. Der zweite Spannungsteiler liegt mit dem Widerstand R1 an einem Versorgungsspannungsanschluß an, der hier ein Potential von +5 V hat, und mit dem Wider­ stand R2 an einem Masseanschluß 3.

Die Widerstände R1 und R2 sind hier gleich groß. Folglich ist der zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 liegende Knotenpunkt 4 der Spannungsmittelpunkt, d. h. der Knoten­ punkt 4 hat ein Potential von 2,5 V.

Die Versorgungsspannung und die Widerstandswerte R1 und R2 können auch anders gewählt sein. Wichtig ist aber, daß am Knotenpunkt 4 der Symmetrierschaltung 2 die nominelle Mittenspannung der Busleitungsanschlüsse CAN_H und CAN_L anliegt. Hat beispielsweise CAN_H ein nominelles Potential von +5 V und CAN_L ein nominelles Potential von 0 V, so ist die nominelle Mittenspannung des Datenbusses +2,5 V.

Die Symmetrierschaltung 2 weist hier zusätzlich einen Konden­ sator C1 auf, der parallel zum Widerstand R2 geschaltet ist und der hochfrequente Störsignale, die z. B. durch EMV- Störungen entstehen, gegen Masse ableiten soll.

Der Spannungsmittelpunkt 4 des Symmetrierspannungsteilers ist hier über einen Feldeffekttransistor (MOSFET) T1 mit einem Knotenpunkt 5 des ersten Spannungsteilers 1 verbunden. Der Knotenpunkt 5 liegt zwischen zwei CAN-Busabschlußwider­ ständen R3 und R4, die hier gleich groß sind, wobei der Widerstand R3 mit dem Busleitungsanschluß CAN_H und der Widerstand R4 mit dem Busleitungsanschluß CAN_L verbunden ist.

Der Transistor T1 weist einen Gate-Anschluß G auf, der mit dem Versorgungsspannungsanschluß der Symmetrierschal­ tung 2 verbunden ist. Der Source-Anschluß 5 und der Bulk-An­ schluß B des Transistors T1 sind mit dem Knotenpunkt 4 der Symmetrierschaltung 2 und der Drain-Anschluß D mit dem Knotenpunkt 5 verbunden. Der Drain-Anschluß D bzw. der Knotenpunkt 5 sind zusätzlich über einen Kondensator C2 mit Masse verbunden. Analog zum Kondensator C1 hat der Kondensator C2 den Zweck, hochfrequente Störsignale abzulei­ ten.

Die beiden Busleitungsanschlüsse CAN_H, CAN_L sind jeweils über eine CAN-Gleichtakt-Drossel L1 und einen Treiberbaustein 6 mit einem Sende-/Empfangsleitungspaar Tx, Rx eines Bau­ steins 7 verbunden, der Teil eines Steuergeräts 8 ist.

Im folgenden wird die Funktionsweise in der in Fig. 1 gezeig­ ten Schaltung erläutert.

Wenn das an den Bus angeschlossene Steuergerät β abgeschaltet wird, ist auch die 5 V-Versorgungsspannung abgeschaltet, was "automatisch" dazu führt, daß der Transistor T1 sperrt. Die niederohmige Verbindung über den "R_DS" (Drain-Source-Wi­ derstand des Transistors T1) zwischen dem Knotenpunkt 4 der Symmetrierschaltung 2 und dem Knotenpunkt 5 ist also getrennt. Mit anderen Worten, wenn das Steuergerät nicht mit Spannung versorgt ist, dann erfolgt eine Abschaltung des Symmetriernetzwerkes R1, R2, C1 vom restlichen CAN- Knoten.

Im Normalbetrieb, d. h. wenn das Steuergerät eingeschaltet und die 5 V-Versorgungsspannung vorhanden ist, dann schaltet der Transistor T1 durch. Die beiden Knotenpunkte 4 und 5 sind also miteinander verbunden.

Der Transistor T1 verhindert zusätzlich eine Beaufschlagung des "2,5 V-Mittelpunktes" 4 durch Überspannung vom Kommunika­ tionsbus (CAN-Bus). Eine solche Überspannung kann beispiels­ weise bei einem Kurzschluß einer Datenleitung bzw. eines Busleitungsanschlusses CAN_H oder CAN_L durch ein durchge­ scheuertes Kabel entstehen, wobei dann eine Batterie- bzw. Bordnetzspannung von z. B. 24 V an den Busleitungen anliegt. In diesem Fall steht zwischen den Widerständen R3 und R4 und damit auch am Drain-Anschluß des Transistors T1 eine Spannung an, die größer als 5 V ist.

Dadurch, daß der Transistor T1 mit seinem Gate-Anschluß G an 5 V und der Source-Anschluß 5 an dem relativ hochohmigen "2,5 V-Mittelpunkt" 4 anliegt, würde das Potential am "2,5 V- Mittelpunkt" 4 im Fehlerfall nur bis auf eine Spannung angehoben, die die minimale Gate-Source-Spannung des Transi­ stors T1 unterschreitet. Damit schützt sich T1 selbst und die beiden Spannungsteiler 1 und 2, indem er sperrt. Eine am Bus anliegende Fehlerspannung wird also auf maximal ca. 4 V am "2,5 V-Mittelpunkt" begrenzt, wodurch eine Zerstö­ rung der Widerstände R1 und R2 verhindert wird.

Bei einer Schaltung ohne den Transistor T1 hingegen, bei der die beiden Knotenpunkte 4 und 5 unmittelbar verbunden wären, müßten die beiden Widerstände R1 und R2 auf die im Fehlerfall am Knotenpunkt 4 auftretende Maximalspannung ausgelegt sein. Bei üblichen Bordnetzen von Nutzfahrzeugen mit einer Spannung von ca. 24 V, würde somit in den dann erforderlichen "größeren" Widerständen R1 und R2 eine relativ große Verlustleistung entstehen. Durch den Transistor T1 hingegen wird dieses Problem vermieden, d. h. es können kleinere Widerstände R1, R2 verwendet werden, und es entsteht eine geringere Verlustleistung.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht darin, daß der Feldeffekttransistor T1 leistungslos gesteuert werden kann. Im durchgeschalteten Fall fließt kein Strom vom Gate G über die Source S in den Spannungsteiler R1/R2, wodurch eine "Verschiebung" des 2,5 V-Mittelpunktes vermieden wird. Im Unterschied dazu würde sich der 2,5 V-Mittelpunkt bei Verwendung eines Bipolartransistors "verschieben", da dann über den Widerstand R2 der Basisstrom abfließen würde.

Die Kondensatoren C1 und C2 sind für die Funktionsweise der Spannungssymmetrierschaltung nicht unbedingt erforderlich. Sie fungieren als Hochfrequenz-Ableit-Kondensator und verbessern daher die EMV-Verträglichkeit der Schaltungs­ anordnung.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungssymmetrierungen von Datenbussen mit:
zwei Busleitungsanschlüssen (CAN_H, CAN_L), die durch einen ersten Spannungsteiler (1) miteinander verbunden sind, welcher einen ersten Knotenpunkt (5) aufweist, dessen Potential zwischen den beiden Busleitungspoten­ tialen liegt,
einer Symmetrierschaltung (2) zur Erzeugung eines vordefinierten elektrischen Potentials an einem zweiten Knotenpunkt (4), und
einem Schalterelement (T1), über das die beiden Knoten­ punkte (4, 5) elektrisch verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schalterelement ein Feldeffekttransistor (T1) ist, dessen Gate-Anschluß (G) mit einem Versorgungs­ spannungsanschluß der Symmetrierschaltung (2), dessen Source-Anschluß (S) mit dem zweiten Knotenpunkt (4) und dessen Drain-Anschluß (D) mit dem ersten Knoten­ punkt (5) verbunden ist, so dass bei eingeschaltetem Feldeffekttransistor (T1) im Fehlerfalle einer Über­ spannung am ersten Knotenpunkt (5) die Spannung am zweiten Knotenpunkt (4) nur auf die minimale Gate- Source-Spannung des Feldeffekttransistors (T1) an­ steigt, worauf der Feldeffekttransistor sperrt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an dem zweiten Knotenpunkt (4) bei eingeschalteter Symmetrierschaltung (2) eine für den Datenbus vorgege­ bene nominelle Mittenspannung (+2,5 V) anliegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, an den Bus (CAN_H, CAN_L) ein Busteilnehmer (8) angeschlossen ist, wobei bei eingeschaltetem Busteil­ nehmer (8) eine elektrische Spannung (+5 V) zur Versor­ gung der Symmetrierschaltung (2) und zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors (T1) vorhanden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrierschaltung (2) einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen (R1, R2) aufweist, die über den zweiten Knotenpunkt (4) miteinander verbunden sind, wobei der erste Widerstand (R1) an Versorgungs­ spannung (5 V) und der zweite Widerstand (R2) an Masse anliegt, und daß parallel zum zweiten Widerstand (R2) ein Kondensator (C1) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kondensator (C2) vorgesehen ist, über den der erste Knotenpunkt (5) mit Masse verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1, R2) der Symmetrierschal­ tung (2) gleich groß sind, und daß die Versorgungsspan­ nung (+5 V) doppelt so groß ist, wie die nominelle Mittenspannung der Busleitungen (CAN_H, CAN_L).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R3, R4) des ersten Spannungstei­ lers (1) gleich groß sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einen Busteilnehmer (8) integriert ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Busteilnehmer (8) ein Steuergerät ist.