DE102014010202B3 - EMC-compliant edge regulation for transceivers of a single-wire bus system, in particular for a LINBUS transceiver - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Treiben eines Datenbusses (BUS). Sie umfasst einen Treibertransistor (M29), der mit dem Datenbus (BUS) verbunden ist, und einen Kondensator (C1), der mit dem Gate des Treibertransistors (M29) d verbunden ist. Des Weiteren ist eine steuerbare Stromquelle (ISR_TXD) deren Ausgangsstrom den Kondensator (C1) lädt oder entlädt Teil der Vorrichtung. Besondere Merkmale der Vorrichtung sind, dass zum Ersten die Polarität des Ausgangsstromes der steuerbaren Stromquelle (ISR_TXD) von der Sendespannung (VTXD) an einem ersten Steueranschluss (TXD) der steuerbaren Stromquelle (ISR_TXD) abhängt und dass zum Zweiten die Amplitude des Ausgangsstromes der steuerbaren Stromquelle (ISR_TXD) von einem Steuerstrom (ISR_V) abhängt und zum Dritten dass der Steuerstrom (ISR_V) von der Busspannung (V(LIM)) abhängt.The invention relates to a device for driving a data bus (BUS). It comprises a driver transistor (M29) connected to the data bus (BUS) and a capacitor (C1) connected to the gate of the driver transistor (M29) d. Furthermore, a controllable current source (ISR_TXD) whose output current charges the capacitor (C1) or discharges part of the device. Particular features of the device are that, firstly, the polarity of the output current of the controllable current source (ISR_TXD) depends on the transmit voltage (VTXD) at a first control terminal (TXD) of the controllable current source (ISR_TXD) and secondly the amplitude of the output current of the controllable current source (ISR_TXD) depends on a control current (ISR_V) and thirdly that the control current (ISR_V) depends on the bus voltage (V (LIM)).
Description
Die insbesondere automobilen Kommunikationsschnittstellen, die Protokolle wie LIN, CAN, Flexray, PSI-5, Ethernet usw. unterstützen, unterliegen sehr strengen Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Neben der elektromagnetischen Immunität, wird eine Reduktion der Abstrahlung im Zusammenhang mit einer Datenübertragung über diese Kommunikationsschnittstellen immer wichtiger. Hierzu muss die Signalform und insbesondere die Form der Schaltflanken geeignet modifiziert werden.The particular automotive communication interfaces that support protocols such as LIN, CAN, Flexray, PSI-5, Ethernet, etc., are subject to very strict requirements with regard to electromagnetic compatibility (EMC). In addition to the electromagnetic immunity, a reduction of the radiation in connection with a data transmission over these communication interfaces becomes more and more important. For this purpose, the signal shape and in particular the shape of the switching edges must be suitably modified.
In Stand der Technik wird beispielsweise bei LINBUS-Transceivern in der Regel die Flankensteilheit bzw. Anstiegs-/Abfallrate (Slewrat) so klein wie möglich eingestellt, um die Stromänderung pro Zeiteinheit und damit die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu minimieren. Die minimale Slewrate wird auf der anderen Seite durch die geforderte maximal definierte Kommunikationsgeschwindigkeit limitiert.
Die wesentlichen problematischen Stellen der Signale aus dem Stand der Technik sind die in
Erfindungsgemäße AufgabeTask according to the invention
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die EMV gerechte Flanken-Regelung der Daten-Signale.The object of this invention is the EMC equitable edge control of the data signals.
Erfindungsaufgabe ist die Angabe eines Verfahren und einer Vorrichtung in Form einer Schaltung für die Abrundung der in
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die erfindungsgemäße Kernidee für eine EMV-gerechte Flankenregelung ist die Reduzierung der Stromspitzen mit der gezielten Umrundung der in
Der Strom ISR und der Rückkopplungskondensator C1 in der Abbildung bestimmen die Flankensteilheit der Spannungswechsel der Busspannung V(LIN) auf dem Bus (BUS). In dem Beispiel der
Die Grundidee der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, diesen variablen Strom ISR in Abhängigkeit des Potenzials V(LIN) zwischen Bus (BUS) und Masse so zu variieren, dass der Strom ILIN nur in gekennzeichneten kritischen Ecken nach der
Die Transistoren M23 und M24 zusammen mit den Dioden D1 und D2 dienen als Spannungsbegrenzer, um die Gate-Oxide der Transistoren M20, M22, M9, M10, M17 und M18 vor den hohen Spannungsabfällen zu schützen. Die Schottky-Dioden SKD1 und SKD2 schützen die Gate-Oxide der Transistoren M20, M22, M23 für den Fall, dass die Busspannung V(LIN) größer als die Versorgungsspannung VS sein sollte. Die Widerstände R1 und R2 entkoppeln die zusätzliche Schaltung von dem BUS und schützen diese gegenüber hohen ESD-Belastungen.The transistors M 23 and M 24 together with the
Der Transistor M23, vorzugsweise vom P-Leitungstyp, und die Diode D1 begrenzen die Bus Spannung V(LIN) im Falle einer V(LIN) < VS auf einen ersten Busspannungsgrenzwert BUS_NLIM, wobei für diesen ersten Busspannungsgrenzwert BUS_NLIM gilt:
Hierbei stellt V(ZD1) die Spannung der Zener-Diode ZD1 dar. Here, V (ZD1) represents the voltage of the Zener diode ZD1.
Komplementär dazu begrenzen der Transistor M24, der bevorzugt ein selbstleitender Transistor vom N-Leitungstyp ist, und die Diode D2 die LIN-Spannung V(LIN) im Falle V(LIN) > VDD auf einen positiven Busspannungsgrenzwert BUS_PLIM, wobei gilt:
Eine erste Referenzstromquelle IREF1 liefert den Strom für eine Referenzstromverteilung aus zwei übereinander angeordneten Stromspiegelsystemen. Bei dem ersten Stromspiegelsystem erzeugt die MOS-Diode aus dem Transistor M1 eine erste Referenzspannung VRef1. Basierend auf dieser ersten Referenzspannung VRef1 bilden dann die Transistoren M2, M5, M6, M11 und M12 jeweils eine Stromquelle zur Versorgung des jeweiligen Schaltungsastes. Bei dem zweiten darüber angeordneten Stromquellensystem erzeugt eine zweite MOS-Diode, gebildet durch den Transistor M3, eine zweite Referenzspannung die durch den Transistor M4 zum Stromquellenstrom I0 gewandelt wird. Durch den Stromspiegel gebildet aus dem Transistor M19 und den Transistor M28 wird hieraus der variable Strom ISR gebildet.A first reference current source IREF1 supplies the current for a reference current distribution from two superposed current mirror systems. In the first current mirror system, the MOS diode from the transistor M1 generates a first reference voltage V Ref1 . Based on this first reference voltage V Ref1 then form the transistors M2, M5, M6, M11 and M12 each have a current source for supplying the respective circuit load. In the second power source system disposed above, a second MOS diode formed by the transistor M3 generates a second reference voltage which is converted by the transistor M4 to the current source current I0. By the current mirror formed from the transistor M19 and the transistor M28, the variable current I SR is formed from this.
Zur Beschreibung der Funktion der Vorrichtung entsprechend
Der LIN-Treiber-Transistor M29 wird bei dem besagten Wechsel vom Low-Pegel zum High-Pegel ausgeschaltet. Das LIN-Potenzial, die Busspannung V(LIN) wird über die dritte Schottky-Diode SKD3 und den dritten Widerstand R3 von Massenpotenzial in Richtung der positiven Versorgung hochgezogen.The LIN drive transistor M29 is turned off in the said change from the low level to the high level. The LIN potential, the bus voltage V (LIN) is pulled up via the third Schottky diode SKD3 and the third resistor R3 from ground potential in the direction of the positive supply.
Bei dem Flankenanstieg des LIN-Busses, also der Busspannung V(LIN) sind die Schaltertransistoren M20, M22, die bevorzugt Transistoren eines des P-Leitungstyps sind, bis kurz vor dem Erreichen des VS-Potenzials leitend geschaltet.In the case of the rising edge of the LIN bus, that is to say the bus voltage V (LIN), the switch transistors M20, M22, which are preferably transistors of the P conductivity type, are turned on until shortly before reaching the VS potential.
Die Schaltertransistoren M24, M9, M10, M17 und M18 sind bevorzugt selbstleitende Transistoren des N-Leitungstyps. Zum Beginn des Flankenanstiegs sind die Transistoren M7, M8, M13–M16 gesperrt. Diese sind bevorzugt Transistoren des N-Leitungstyps Damit fließt durch den Transistor M19 nur der Grundstrom I0. Daraus ergibt sich für den variablen Strom ISR mit dem Stromspiegel bestehend aus den Transistoren M19 und M28 und Spiegelverhältnis n:
Sobald das LIN-Potenzial, die Busspannung V(LIN), die Schwelle des N-Leitungstyp-Transistors M7 überschreitet, beginnt der Strompfad M5, M7, M9, M20 und der zugehörige Spiegelpfad M6, M8, M10 sich zu öffnen. Es fliest der erste Zusatzstrom I1_UMR in den Transistor M10 und damit in die Transistorkette M10, M8, M6. Durch die Stromspiegel aus M1, M3, M7, M5, M6, M8 ist der Wert dieses Zusatzstromes I1_UMR durch den Referenzstrom IREF1 vorgegeben. Damit steigt der Strom durch den Transistor M19 auf den vordefinierten Wert I0 + I1_UMR. Es ergibt:
Somit erhöht sich die Steilheit der steigenden Flanke der Busspannung V(LIN), also die LIN-Flanke, proportional zum Anstieg des ISR-Stroms um eine Stufe.Thus, the steepness of the rising edge of the bus voltage V (LIN), ie the LIN edge, increases in proportion to the increase of the I SR current by one stage.
Durch hinzufügen einer gegen Masse arbeitenden ersten Stromquellenstufe (1. Stufe) wird daher die Steilheit des Anstiegs der Bus-Spannung V(LIN) um einen vordefinierten Wert erhöht.Therefore, by adding a first current source stage working to ground (1st stage), the slope of the rise of the bus voltage V (LIN) is increased by a predefined value.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist es nun, bei einem weiteren Anstieg der Busspannung V(LIN) beim Überschreiten weiterer Busspannungspegel durch die Busspannung V(LIN) weitere solcher Stromquellen (2. Stufe bis n-te Stufe) hinzuzuschalten und so die Anstiegsgeschwindigkeit der Busspannung V(LIN) sukzessive zu erhöhen.The principle according to the invention is now to add further such current sources (second stage to nth stage) in the event of a further increase of the bus voltage V (LIN) when further bus voltage levels are exceeded by the bus voltage V (LIN) and thus increase the slew rate of the bus voltage V (LIN). LIN) successively increase.
Bei weiterem Anstieg der Busspannung V(LIN), sobald die Busspannung V(LIN) die Schwelle des Transistors M15 zzgl. der Schwelle des Transistors M13 überschreitet, öffnen sich auch der Strompfad bestehend aus den Transistoren M11, M13, M15, M17, M21, M22 und der zugehörige Spiegelpfad bestehend aus den Transistoren M12, M14, M16, M18. Damit steigt der Strom durch den Transistor M19 weiter auf I0 + I1_UMR + I2_UMR und es ergibt sich:
Erfindungsgemäß entspricht also die zweite Stufe bestehend aus den Transistoren M21, M22, M17, M18, M15, M16, M13, M14, M11, M12 der ersten Stufe bestehend aus den Transistoren M20, M9, M10, M7, M8, M5, M6. Der Unterschied zwischen der ersten Stufe (1. Stufe) und der zweiten Stufe (2. Stufe) wird durch den zusätzlichen Transistor M21 und den zusätzlichen Stromspiegel bestehend aus den Transistoren M15 und M16 dargestellt, die den Schaltpunkt der zweiten Stufe (2. Stufe) definieren.According to the invention therefore corresponds to the second stage consisting of the transistors M21, M22, M17, M18, M15, M16, M13, M14, M11, M12 of the first stage consisting of the transistors M20, M9, M10, M7, M8, M5, M6. The difference between the first stage (1st stage) and the second stage (2nd stage) is represented by the additional transistor M21 and the additional current mirror consisting of the transistors M15 and M16, which represent the switching stage of the second stage (2nd stage) define.
Durch diese zweite Stufe wird die Flanke der Busspannung V(LIN) um eine weitere Stufe steiler gestellt, sobald die Busspannung einen ausreichenden Wert erreicht.Through this second stage, the edge of the bus voltage V (LIN) is steeper by a further stage as soon as the bus voltage reaches a sufficient value.
Die obige erfindungsgemäße Schaltung kann um eine nahezu beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise n Stufen, erweitert werden. Typischerweise sind allerdings 2 bis 4 Stufen ausreichend.The above circuit according to the invention can be extended by an almost arbitrary number of stages, for example n stages. Typically, however, 2 to 4 levels are sufficient.
Nähert sich die Busspannung V(LIN) nun dem Potenzial der positiven Versorgung (VS) abzgl. der Schwellspannungen der Transistoren M21 und der Schwellspannung des Transistors M22, sperrt der Schalter-Transistor M22. Damit schließt sich der Strompfad über die Transistoren M11, M13, M15, M17, M22, M21 und der zugehörige Spiegelpfad über die Transistoren M12, M14, M16, M18. Der Strom der zweiten Stufe I2_UMR geht gegen null. Der Strom durch den Transistor M19 fällt wieder auf I0 + I1_UMR ab und die Flankensteilheit der Busspannung V(LIN) nimmt entsprechend ab. Für ISR gilt in diesem Fall wieder:
Bei einem weiterem Anstieg der Busspannung V(LIN) sperrt auch der Transistor M20 und damit schließt sich auch der Strompfad über die Transistoren M5, M7, M9, M20 und der zugehörige Spiegelpfad über die Transistoren M6, M8, M10. Der Strom der ersten Stufe I1_UMR geht nun auch gegen null. Der Strom durch den Transistor M19 fällt nun auf das Grundstromniveau I0 und der Strom ISR auf:
Damit nähert sich die Flanke der Busspannung V(LIN) nur noch mit einer durch I0 minimal eingestellten Flankensteilheit dem Potenzial der positive Versorgung (VS) an.Thus, the edge of the bus voltage V (LIN) approaches the potential of the positive supply (VS) only with a slope steeply set by I 0 .
Bei einem Wechsel des Ansteuersignals V(TXD) Am Treibereingang (TXD) von High-Pegel zum Low-Pegel, fällt die Flanke der Bus-Spannung V(LIN) in gleicher Weise proportional zum variablen Strom ISR. Auch hier öffnen sich der Reihe nach die beiden Transistoren M20 und M22, die einen stufenweisen Anstieg der Abfallgeschwindigkeit (Slewrate) durch Steigerung des variablen Stroms ISR bewirken. In gleicher Weise schalten sich die Transistoren M6, M8, M10 und M12, M14, M16, M18 beim Annähern der Flanke der Busspannung V(LIN) an das Massenpotenzials der Reihe nach ab und bewirken somit einen stufenweise Verringerung der Abfallgeschwindigkeit der Flanke der Busspannung V(LIN) in der Nähe des Massepotenzials.When the drive signal V (TXD) at the driver input (TXD) changes from high level to low level, the edge of the bus voltage V (LIN) falls in the same way proportionally to the variable current I SR . Here, too, the two transistors M20 and M22 open in sequence, which cause a gradual increase in the drop speed (slew rate) by increasing the variable current I SR . In the same way, the transistors M6, M8, M10 and M12, M14, M16, M18 turn off at the approach of the edge of the bus voltage V (LIN) to the ground potential in order and thus cause a gradual reduction of the falling speed of the edge of the bus voltage V. (LIN) near the ground potential.
Der Treibertransistor M29 ist über ein Netzwerk mit dem Bus (BUS) verbunden. In
Der Summenstrom ISR_V, der in
Hierbei besteht die erste gesteuerte Zusatzstromquelle I1_UMR aus
Hierbei besteht die zweite gesteuerte Zusatzstromquelle I2_UMR aus
Diese verschiedenen Zusatzstromquellen I1_UMR bis In_UMR unterscheiden sich untereinander dadurch, dass sie bei unterschiedlichen Pegeln der Bus-Spannung V(LIN) ein- bzw. abgeschaltet werden.These different additional current sources I 1_UMR to I n_UMR differ from one another in that they are switched on or off at different levels of the bus voltage V (LIN).
Jede dieser Zusatzstromquellen I1_UMR bis In_UMR besitzt also eine untere Schaltschwelle, bei der diese gesteuerte Zusatzstromquelle eingeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIN) diese untere Schaltschwelle überschreitet, und ausgeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIN) diese untere Schaltschwelle unterschreitet.Each of these additional current sources I 1_UMR to I n_UMR thus has a lower switching threshold at which this controlled additional current source is turned on when the bus voltage V (LIN) exceeds this lower switching threshold, and is turned off when the bus voltage V (LIN) falls below this lower switching threshold.
Jede dieser Zusatzstromquellen I1_UMR bis In_UMR besitzt also eine obere Schaltschwelle, bei der diese gesteuerte Zusatzstromquelle eingeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIN) diese untere Schaltschwelle unterschreitet, und ausgeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIN) diese obere Schaltschwelle überschreitet.Each of these additional current sources I 1_UMR to I n_UMR thus has an upper switching threshold at which this controlled additional current source is switched on when the bus voltage V (LIN) falls below this lower switching threshold, and is switched off when the bus voltage V (LIN) exceeds this upper switching threshold.
Jede dieser Zusatzstromquellen I1_UMR bis In_UMR ist also typischerweise nur eingeschaltet, wenn die Busspannung V(LIN) oberhalb ihrer jeweiligen unteren Schaltschwelle und gleichzeitig unterhalb ihrer oberen Schaltschwelle liegt.Each of these additional current sources I 1_UMR to I n_UMR is thus typically only switched on when the bus voltage V (LIN) is above its respective lower switching threshold and at the same time below its upper switching threshold.
Diese Schaltschwellen wurden in
Oberhalb dieser Stromspiegelkette befindet sich ein erster Schwell-Schalter bestehend aus den Transistoren M17 und M18, der über den Eingang BUS_PLIM näherungsweise mit dem Bus-Potenzial, der Busspannung V(LIM) versorgt wird und sicherstellt, dass die jeweilige Zusatzstromquelle abgeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIM) den besagten unteren Schwellwert unterschreitet.Above this current mirror chain is a first threshold switch consisting of the transistors M17 and M18, which is supplied via the input BUS_PLIM approximately to the bus potential, the bus voltage V (LIM) and ensures that the respective additional power source is turned off when the Bus voltage V (LIM) falls below the said lower threshold.
Oberhalb dieser Stromspiegelkette befindet sich in einem Ast ein zweiter Schwell-Schalter bestehend aus dem Transistoren M22, der über den Eingang BUS_NLIM näherungsweise mit dem Bus-Potenzial, der Busspannung V(LIM) versorgt wird und sicherstellt, dass die jeweilige Zusatzstromquelle abgeschaltet wird, wenn die Busspannung V(LIM) den besagten oberen Schwellwert überschreitet.Above this current mirror chain is located in a branch, a second threshold switch consisting of the transistors M22, which is supplied via the input BUS_NLIM approximately to the bus potential, the bus voltage V (LIM) and ensures that the respective additional power source is turned off when the bus voltage V (LIM) exceeds said upper threshold.
Schließlich befindet sich oberhalb dieses zweiten Schwellwert-Schalters eine Serienschaltung (ST1) von n – 1 MOS Dioden, bestehend aus einer Serienschaltung (ST1) von n – 1 Transistoren. In dem in
Die Situation für n = 3 zeigt
Das erfindungsmäße Prinzip bewirkt eine in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist somit viele Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:
- 1. Eine Abrundung der Signal-Flanken auf einem Kommunikationsbus wie LIN, CAN, Flexray, PSI-5, Ethernet usw. nur in der Nähe des Versorgungsspannungen (VS, Masse) ohne Beeinflussung der Grundslewrate (Grundanstiegsrate)
- 2. Keine Beeinflussung der Kommunikationsgeschwindigkeit
- 3. Unabhängigkeit vom Potenzial der Versorgungsspannung (VS)
- 4. Beliebig erweiterbare Stufen zur Abrundung der Flanken
- 5. Einsparung von Chip-Flächen und damit Kosten bei Verwendung in einer monolithisch integrierten Lösung
- 1. A rounding off of the signal edges on a communication bus such as LIN, CAN, Flexray, PSI-5, Ethernet, etc. only in the vicinity of the supply voltages (VS, ground) without influencing the basic sleep rate (basic rate of increase)
- 2. No influence on the communication speed
- 3. Independence from the potential of the supply voltage (VS)
- 4. Any extendable steps to round off the flanks
- 5. Savings of chip areas and thus costs when used in a monolithic integrated solution
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