DE102018220502A1

DE102018220502A1 - Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für einen Bus eines Bussystems und Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem

Info

Publication number: DE102018220502A1
Application number: DE102018220502.7A
Authority: DE
Inventors: Simon Weissenmayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020109315A1

Abstract

Es ist eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) für einen Bus (40) eines Bussystems (1) und ein Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem (1) bereitgestellt. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) hat mindestens einen Stromspiegel (64; 64A) der zwischen eine erste und eine zweite Busleitung (41; 42) des Busses (40) geschaltet ist, wobei der Stromspiegel (64; 64A) einen ersten Transistor (641; 6410) und einen zweiten Transistor (642; 6420) aufweist, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und wobei mindestens zwei Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors (641, 642; 6410; 6420) miteinander und mit Masse (43) verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für einen Bus eines Bussystems, das insbesondere ein serielles Bussystem ist, und ein Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen, insbesondere Gleichtaktspannungen, in einem Bussystem, mit welchen kapazitive Einkopplungen ohne Signalverlust auf dem Bus möglich sind.
Stand der Technik
Bussysteme, die zur Übertragung von Daten Datenübertragungsprotokolle verwenden, wie insbesondere Ethernet, usw. sind heutzutage in vielen Bereichen der Technik üblich. Zwischen Sensoren und Steuergeräten wird, beispielsweise in Fahrzeugen, immer häufiger ein Bussystem eingesetzt, in welchem Daten als Nachrichten im Standard ISO11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD übertragen werden. Die Nachrichten werden zwischen den Teilnehmerstationen des Bussystems, wie Sensor, Steuergerät, Geber, usw., übertragen. Hierbei wird CAN FD derzeit in der Einführungsphase im ersten Schritt meist mit einer Daten-Bitrate von 2Mbit/s bei der Übertragung von Bits des Datenfelds und mit einer Arbitrations-Bitrate von 500kbit/s bei der Übertragung von Bits des Arbitrationsfelds im Fahrzeug eingesetzt.
Bei der Übertragung von Daten im Bussystem können kapazitive Einkopplungen vorkommen welche Gleichtaktspannungen auf dem Bus verursachen. Damit Geräte, die an den Bus des Bussystems angeschlossen sind, nicht durch die kapazitiven Einkopplungen beschädigt werden, sind Schutzmaßnahmen erforderlich. Zum Schutz einer Sende-/Empfangseinrichtung (Transceiver) werden beispielsweise bei CAN in der Regel Suppressordioden eingesetzt, die z.B. Spannungen größer 58V und kleiner - 58V nach Masse ableiten.
Ein Problem ergibt sich jedoch, wenn eine kapazitive Einkopplung die Spannungen beider Leitungen um mehr als 54,5V ansteigen lässt. In diesem Fall stellt sich durch die starke positive Einkopplung an beiden Leitungen eine Spannung von 58V ein. Dadurch wird ein gegebenenfalls über den Bus des Bussystems übertragenes Differenzsignal zerstört. In Folge dessen wird die Kommunikation im Bussystem gestört. Dies verursacht, dass Nachrichten verfälscht werden und/oder mehrmals übertragen werden müssen. Im Ergebnis leiden dadurch die Sicherheit der Datenübertragung und/oder die Schnelligkeit der Datenübertragung. Dadurch kann insbesondere die Forderung nach einer Übertragung von Nachrichten mit immer höheren Datenraten im Bussystem nicht zufriedenstellend erfüllt werden.
Offenbarung der Erfindung
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für einen Bus eines Bussystems und ein Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für einen Bus eines Bussystems und ein Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem bereitgestellt werden, bei welchen kapazitive Einkopplungen keinen Signalverlust auf dem Bus zur Folge haben.
Die Aufgabe wird durch eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für einen Bus eines Bussystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung hat mindestens einen Stromspiegel der zwischen eine erste und eine zweite Busleitung des Busses geschaltet ist, wobei der Stromspiegel einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor aufweist, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und wobei mindestens zwei Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors miteinander und mit Masse verbunden sind.
Die beschriebene Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung ermöglicht durch die Begrenzung der Gleichtaktstörung auch eine Begrenzung von Differenzstörungen, da Gleichtaktstörungen durch Asymmetrien im Bus in Differenzstörungen umgewandelt werden können. Dies ist insbesondere bei einem Differenzsignal auf dem Bus vorteilhaft. Außerdem steigt dadurch die Wahrscheinlichkeit für eine fehlerfreie Übertragung von Daten im Bussystem und die Datenrate wird erhöht.
Somit können aufgrund der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung Daten sicher und mit der gewünschten Schnelligkeit über einen Bus zwischen zwei Teilnehmerstationen des Bussystems übertragen werden. Dadurch führen störende Gleichtaktspannungen in einem Bussystem nicht zu einer Minderung der Bitrate im Bussystem. Als Folge davon kann die Datenrate im Bussystem erhöht werden, ohne dass die Kommunikation aufgrund von Gleichtaktspannungen bzw. kapazitiven Störungen merklich beeinträchtigt würde.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass mit der beschriebenen Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung CAN-Leitungen über längere Strecken und dichter
zusammen mit Leitungen geführt werden können, bei denen hohe Stromänderungen auftreten. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Platzverhältnisse zum Verlegen von Leitungen oft sehr beengt sind.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß den Ausführungsbeispielen ist der Stromspiegel zwischen den Busleitungen zum Angleichen von Strömen angeschlossen, die von den Busleitungen abgeführt werden.
Gemäß einer Option hat die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung zudem eine Zenerdiode, die zwischen die zweite Busleitung und den zweiten Transistor des Stromspiegels geschaltet ist, wobei der erste Transistor des Stromspiegels direkt an die erste Busleitung angeschlossen ist.
Gemäß einer anderen Option hat die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung zudem eine Zenerdiode, die zwischen einen Anschluss des ersten Transistors und einen Anschluss des zweiten Transistors geschaltet ist, und einer Diode, die zwischen die Zenerdiode und Masse geschaltet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung zudem einen Widerstand, der zwischen die Verbindung des ersten und zweiten Transistors und Masse geschaltet ist. Hierbei ist es möglich, dass mindestens ein Stromspiegel über den Widerstand zur Masse geschaltet ist, und mindestens ein Stromspiegel ohne den Widerstand mit Masse verbunden ist. Zudem kann eine erste Zenerdiode zwischen die zweite Busleitung und den mindestens einen ersten Stromspiegel geschaltet sein und kann eine zweite Zenerdiode an den mindestens einen zweiten Stromspiegel angeschlossen sein, wobei die zweite Zenerdiode eine Durchbruchspannung aufweist, die größer ist als die Durchbruchspannung der ersten Zenerdiode.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Stromspiegel zum Ableiten von Spannungen größer etwa 58 V und von Spannungen kleiner etwa - 58 V zur Masse ausgestaltet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung mindestens einen Stromspiegel, der zum Begrenzen von positiven Gleichtaktspannungen ausgestaltet ist, und mindestens einen Stromspiegel, der zum Begrenzen von negativen Gleichtaktspannungen ausgestaltet ist.
Denkbar ist, dass die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung zudem eine erste Suppressordiode, die zwischen eine erste Busleitung des Busses und Masse geschaltet ist, und eine zweite Suppressordiode, die zwischen eine zweite Busleitung des Busses und Masse geschaltet ist, wobei jede der ersten und zweiten Suppressordiode zum Ableiten von Spannungen größer etwa 58 V und von Spannungen kleiner etwa -58 V zur Masse ausgestaltet ist.
Die zuvor beschriebene Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung kann Teil einer Teilnehmerstation für ein Bussystem sein, die zudem eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden von Nachrichten auf einen Bus des Bussystems und/oder zum Empfangen von Nachrichten von dem Bus des Bussystems aufweist. Hierbei kann die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung in die Sende- und Empfangseinrichtung integriert sein.
Möglicherweise hat die Teilnehmerstation zudem eine Kommunikationssteuereinrichtung zum Erzeugen und Senden von Nachrichten an die Sende- und Empfangseinrichtung und zum Empfangen und Auswerten von Nachrichten von der Sende- und Empfangseinrichtung, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung ausgestaltet ist, die Nachrichten derart zu erzeugen, dass in der ersten Kommunikationsphase zum Senden der Nachrichten auf den Bus zwischen den Teilnehmerstationen des Bussystems ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase zumindest zeitweise einen exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus des Bussystems hat.
Mindestens zwei Teilnehmerstationen können Teil eines Bussystems sein, das zudem einen Bus hat, so dass die mindestens zwei Teilnehmerstationen über den Bus derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können. Zudem hat das Bussystem mindestens eine zuvor beschriebene Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für mindestens eine Busleitung des Busses.
Möglicherweise ist bei dem Bussystem mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Teilnehmerstation.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem nach Anspruch 14 gelöst. Das Verfahren hat die Schritte: Senden einer Nachricht in dem Bussystem über einen Bus, zwischen dessen Busleitungen eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung geschaltet ist, die mindestens einen Stromspiegel aufweist, der zwischen die erste und zweite Busleitung des Busses geschaltet ist, wobei der Stromspiegel einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor aufweist, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und wobei mindestens zwei Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors miteinander und mit Masse verbunden sind, und Ableiten von elektrischen Strömen von den Busleitungen mit der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung, um Gleichtaktstörungen auf den Busleitungen zu begrenzen.
Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf den Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Bussystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für das Bussystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für das Bussystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4 eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für das Bussystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und
5 eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung für ein Bussystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts Anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt als Beispiel ein Bussystem 1, das insbesondere grundlegend für ein Classical CAN-Bussystem, ein CAN FD-Bussystem oder CAN FD-Nachfolgebussysteme ausgestaltet ist, wie nachfolgend beschrieben. Das Bussystem 1 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
In 1 hat das Bussystem 1 eine Vielzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die jeweils an einen Bus 40 mit einer ersten Busleitung 41 und einer zweiten Busleitung 42 angeschlossen sind. Der Bus 40 ist an seinen beiden Enden mit Leitungsabschlüssen 50 abgeschlossen. Hiervon ist einer der Leitungsabschlüsse 50 bei der Teilnehmerstation 30 vorgesehen. Die Teilnehmerstationen 10, 20 sind an den Bus 40 jeweils mit einer Stichleitung angeschlossen. Bei den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ist jeweils eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 vorgesehen.
Die Busleitungen 41, 42 können auch CAN_H und CAN_L genannt werden und dienen, unter Verwendung eines TX-Signals im Sendezustand, zur elektrischen Signalübertragung nach Einkopplung der dominanten Pegel bzw. Zustände 401 oder Erzeugung bzw. aktivem Treiben von rezessiven Pegeln bzw. Zuständen 402. Die Zustände 401, 402 sind nur bei der Teilnehmerstation 20 sehr schematisch gezeigt. Die Zustände 401, 402 entsprechen den Zuständen eines TX-Signals einer sendenden Teilnehmerstation 10, 20, 30. Nach Übertragung der Signale CAN_H und CAN_L auf den Busleitungen 41, 42 werden die Signale von den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 als ein RX-Signal empfangen. Über den Bus 40 sind Nachrichten 45, 46 in der Form der Signale CAN_H und CAN_L zwischen den einzelnen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 seriell übertragbar. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Anzeigevorrichtungen, usw. eines Kraftfahrzeugs.
Wie in 1 gezeigt, hat die Teilnehmerstation 10 eine Kommunikationssteuereinrichtung 11, eine Sende-/Empfangseinrichtung 12 und eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60. Die Teilnehmerstation 20 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 21 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 22, in welche die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 eingebaut ist. Die Teilnehmerstation 30 hat eine Kommunikationssteuereinrichtung 31, eine Sende-/Empfangseinrichtung 32, den Leitungsabschluss 50 und eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60. Bei der Teilnehmerstation 30 bilden der Leitungsabschluss 50 und die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 eine Einheit bzw. sind integriert aufgebaut.
Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 22, 32 der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind jeweils direkt an den Bus 40 angeschlossen, auch wenn dies in 1 nicht veranschaulicht ist. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 22 sind jeweils mit einer Stichleitung an den Bus 40 angeschlossen.
Die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 21, 31 dienen jeweils zur Steuerung einer Kommunikation der jeweiligen Teilnehmerstation 10, 20, 30 über den Bus 40 mit einer oder mehreren anderen Teilnehmerstation der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die an den Bus 40 angeschlossen sind. Hierbei erzeugen die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 21, 31 jeweils ein Sendesignal, das auch TX-Signal genannt wird, für die zu sendende Nachrichten 45, 46 und senden das TX-Signal an die zugehörige Sende- und Empfangseinrichtung 12, 22, 32. Zudem kann die jeweilige Kommunikationssteuereinrichtung 11, 21, 31 ein Empfangssignal, das auch RX-Signal genannt wird, für die vom Bus 40 empfangene Nachricht 45, 46 von der zugehörigen Sende- und Empfangseinrichtung 12, 22, 32 empfangen und auswerten. Insbesondere können die Kommunikationssteuereinrichtungen 11, 21, 31 die Nachrichten 45, 46 derart erzeugen, dass in einer ersten Kommunikationsphase zum Senden der Nachrichten 45, 46 auf den Bus 40 zwischen den Teilnehmerstationen 10, 20, 30 ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase zumindest zeitweise einen exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus 40 des Bussystems 1 hat. In der zweiten Kommunikationsphase können die Nutzdaten der Nachrichten 45, 46 auf den Bus 40 gesendet werden.
Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 kann wie ein herkömmlicher Classical CAN- oder CAN FD-Controller ausgeführt sein. Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 erstellt und liest erste Nachrichten 45, die beispielsweise Classical CAN-Nachrichten oder CAN FD Nachrichten sind. Die Classical CAN-Nachrichten sind gemäß dem Classical Basisformat aufgebaut, bei welchem in der ersten Nachricht 45 eine Anzahl von bis zu 8 Datenbytes umfasst sein können. Die CAN FD Nachricht ist gemäß dem CAN FD Format aufgebaut, bei welcher eine Anzahl von bis zu 64 Datenbytes umfasst sein können, die noch dazu mit einer deutlich schnelleren und damit höheren Datenrate als bei der Classical CAN-Nachricht übertragen werden. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 kann wie ein herkömmlicher CAN Transceiver und/oder CAN FD Transceiver ausgeführt sein.
Jede der Kommunikationssteuereinrichtungen 21, 31 erstellt und liest erste Nachrichten 45, wie zuvor beschrieben, oder optional zweite Nachrichten 46. Die zweiten Nachrichten 46 sind auf der Grundlage eines Formats aufgebaut, das als CAN FD-Nachfolgeformat bezeichnet wird und beispielsweise Daten in der Datenphase mit einer höheren Bitrate als CAN FD übertragen kann. Jede der Sende-/Empfangseinrichtungen 22, 32 kann als CAN Transceiver ausgeführt sein, der je nach Bedarf eine der zuvor beschriebenen ersten Nachrichten 45 oder eine zweite Nachricht 46 gemäß dem CAN FD-Nachfolgeformat für die zugehörige Kommunikationssteuereinrichtung 21, 31 bereitstellen oder von dieser empfangen kann.
Mit den beiden Teilnehmerstationen 20, 30 ist eine Bildung und dann Übertragung von Nachrichten 46 mit dem CAN FD-Nachfolgeformat sowie der Empfang solcher Nachrichten 46 realisierbar.
2 zeigt eine elektrische Schaltung der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 kann eine Gleichtaktspannung Us begrenzen, die sich der Spannung VDIFF = CAN_H - CAN_L auf dem Bus 40 in gleicher Richtung überlagert.
Zum Begrenzen der Gleichtaktspannung Us hat die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 Suppressordioden 61, 62, eine Zenerdiode 63 und einen Stromspiegel 64. Der Stromspiegel 64 hat einen ersten und zweiten Transistor 641, 642. Bei dem speziellen Beispiel von 2 sind die Transistoren 641, 642 jeweils als MISFET (= Metall-Isolator-Semiconductor Field Effekt Transistor = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgestaltet, insbesondere als MOSFET (= Metall-Oxid-Semiconductor Field Effekt Transistor = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Es ist jedoch möglich, dass die Transistoren 641, 642 anders ausgeführt sind, insbesondere als sonstige Feldeffekttransistoren (FET) oder als Bipolartransistoren. Der Stromspiegel 64 kann alternativ als Kaskode-Stromspiegel oder als Wilson-Stromspiegel, oder eine andere Variante ausgeführt sein. Insbesondere ist für den Stromspiegel 64 eine Variante mit drei Bipolartransistoren möglich.
Bei dem Stromspiegel 64 sind die Steueranschlüsse der Transistoren 641, 642 miteinander verbunden. Die Steueranschlüsse der Transistoren 641, 642 sind zudem mit einem anderen Anschluss des Transistors 642 verbunden. Der Steueranschluss der Transistoren 641, 642 ist bei einem MISFET der Gate-Anschluss. Der andere Anschluss des Transistors 642 ist bei einem MISFET beispielsweise der Drain-Anschluss. Zudem sind zwei andere Anschlüsse der Transistoren 641, 642 miteinander und mit Masse 43 verbunden. Diese anderen Anschlüsse der Transistoren 641, 642 sind bei einem MISFET beispielsweise die Source-Anschlüsse.
Bei der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 ist die Suppressordiode 61 zwischen die Busleitung 41 und Masse 43 geschaltet. Die Suppressordiode 62 ist zwischen die Busleitung 42 und Masse 43 geschaltet. Die Zenerdiode 63 ist zwischen die Busleitung 42 und den Stromspiegel 64 geschaltet. Hierbei ist die Kathode der Zenerdiode 63 mit der Busleitung 42 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 63 ist mit dem Transistor 642 des Stromspiegels 64 verbunden. Bei dem MISFET von 2 ist die Anode der Zenerdiode 63 mit dem Drain-Anschluss des Transistors 642 verbunden.
Dadurch fließt bei der Schaltung von 2 ein Strom I_H von CAN_H und ein Strom I_L von CAN_L in den Stromspiegel 64 der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60. Der Stromspiegel 64 ist an der Verbindung der beiden Transistoren 641, 642 ebenfalls mit Masse 43 verbunden, wie bereits in Bezug auf die Transistoren 641, 642 zuvor erwähnt.
Mit Hilfe des Stromspiegels 64 wird sichergestellt, dass der zur Begrenzung der Gleichtaktspannung U_S abgeführte Strom I_L von der Busleitung 42 für CAN_L genauso groß ist wie der abgeführte Strom I_H von der Busleitung 41 für CAN_H. Dadurch bleibt die Differenzspannung VDIFF = CAN_H - CAN_L auf den Busleitungen 41, 42 erhalten.
Der Stromspiegel 64 ist derart ausgelegt, dass der Stromspiegel 64 nur in Spannungsbereichen aktiv wird, in denen eine Gleichtaktstörung, die sich als Gleichtaktspannung U_S bemerkbar macht, durch Masseversatz ausgeschlossen werden kann. Dabei ist berücksichtigt, dass geringe Gleichtaktstörungen auch durch Masseversatz hervorgerufen werden können, bei welchen die Gleichtaktstörung nicht nur kurzfristig wirkt, wie bei einer kapazitiven Einkopplung, sondern über längere Zeit. Da dies bei ungünstiger Auslegung des Stromspiegels 64 zu sehr großen Strömen über den Stromspiegel 64 und die Leitungen 41, 42 führen kann, kann dies durch die zuvor genannte Auslegung des Stromspiegels 64 verhindert werden.
Bevorzugt wird die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 an den Stellen des Bussystems 1 eingesetzt, an denen Gleichtaktstörungen in das Bussystem 1 eingekoppelt werden, so dass sich die Störungen nicht erst ausbreiten und sich gegebenenfalls in Gegentaktstörungen umwandeln können.
Wie zuvor in Bezug auf 1 erwähnt, kann die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 neben die Sende-/Empfangseinrichtung 12 auf der Leiterplatte der Teilnehmerstation 10 angebaut sein. Zusätzlich ist die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 in die Sende-/Empfangseinrichtung 12 einbaubar, wie für die Sende-/Empfangseinrichtung 22 der Teilnehmerstation 20 in 1 gezeigt. Selbstverständlich sind die genannten Montagevarianten für die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 an den unterschiedlichen Stellen des Bussystems 1 beliebig wählbar.
Alternativ oder zusätzlich ist die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 in Steuergeräten einbaubar oder an die Steuergeräte ansetzbar, welche die CAN-Leitungen 41, 42 nur durchschleifen aber nicht aktiv an der Datenübertragung teilnehmen. Dadurch kann die Gleichtaktstörung insbesondere die Gleichtaktspannung U_S , an möglichst vielen Stellen begrenzt werden.
Werden nun im Bussystem 1 hohe Spannungen auf beide Leitungen 41, 42 eingekoppelt, dann bewirkt die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60, dass die Ströme gegenüber Masse 43 unabhängig von der Differenzspannung auf beiden Leitungen 41, 42 gleich groß sind. Bei CAN ist die Differenzspannung auf beiden Leitungen 41, 42 die Spannung VDIFF = CAN-H - CAN_L.
3 zeigt eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A ist anstelle mindestens einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 von 1 einsetzbar. Somit kann das Bussystem 1 mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A aufweisen.
Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A hat zusätzlich einen Widerstand 65, der zwischen Masse 43 und den Stromspiegel 64 geschaltet ist. Der Widerstand 65 ist also in Reihe zum Stromspiegel 64 geschaltet.
Mit dem Widerstand 65 können die Änderungen des jeweils abgeführten Stroms I_H und I_L klein gehalten werden, so dass weitere EMV-Probleme vermieden werden können (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit). Außerdem ist der Widerstand 65 geeignet, um die Verlustleistung der Zenerdiode 63 und des Stromspiegels 64 zu verringern. Der Widerstand 65 kann zum Beispiel dem Wellenwiderstand der Kabel entsprechen oder an den Widerstandwert des Stromspiegels angenähert werden. Dadurch kann die Änderungen des jeweils abgeführten Stroms I_H und I_L klein gehalten werden und die Zenerdiode 63 und der Stromspiegel 64 können kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
Gemäß einer Modifikation der Schaltungen von 2 und 3 kann die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A einen Stromspiegel 64 ohne Widerstand 65, wie in 2 gezeigt, und einen Stromspiegel 64 mit Widerstand 65 aufweisen, wie in 3 gezeigt. Der Stromspiegel 64 mit Widerstand 65 reduziert kleine Gleichtakteinkopplungen und der Stromspiegel 64 ohne den Widerstand 65 reduziert die Gleichtakteinkopplungen, die so groß sind, dass sie vom Stromspiegel 64 mit dem Widerstand 65 nicht kompensiert werden können.
Hierbei ist es möglich, dass die Zenerdiode 63 für den Stromspiegel 64 mit Widerstand 65 eine Durchbruchspannung aufweist, die größer ist als die Durchbruchspannung der Zenerdiode 63 für den Stromspiegel 64 ohne den Widerstand 65. Dadurch kann bewirkt werden, dass bei kleinen Gleichtakteinkopplungen durch Abführen kleiner Ströme nur geringe elektromagnetische Störungen erzeugt werden, bei großen Gleichtakteinkopplungen durch das Abführen großer Ströme aber dennoch die Gleichtaktspannung ausreichend begrenzt wird.
4 zeigt eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B ist anstelle mindestens einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 von 1 einsetzbar. Somit kann das Bussystem 1 mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B aufweisen.
Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B hat im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen keine Suppressordioden 61, 62. Dies ist möglich, da der Stromspiegel 64 besonders leistungsfähig ausgelegt ist. Dadurch übernimmt der Stromspiegel 64 die Aufgabe der Suppressordioden 61, 62. Damit kann auf die zusätzliche Schutzbeschaltung durch die Suppressordioden 61, 62 verzichtet werden.
Im Ergebnis hat damit die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B weniger Bauteile als die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60B.
5 zeigt eine elektrische Schaltung einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C ist anstelle mindestens einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 für die Busleitungen 41, 42 des Busses 40 von 1 einsetzbar. Somit kann das Bussystem 1 mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60 und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60A und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60B und/oder mindestens eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C aufweisen.
Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C hat im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen zwei Gleichtaktbegrenzungseinheiten 640, 6400. Die erste Gleichtaktbegrenzungseinheit 640, genauer gesagt ihr Stromspiegel 64, dient zum Begrenzen von positiven Gleichtaktspannungen Us. Die zweite Gleichtaktbegrenzungseinheit 6400, genauer gesagt ihr Stromspiegel 64, dient zum Begrenzen von negativen Gleichtaktspannungen Us.
Bei der ersten Gleichtaktbegrenzungseinheit 640 ist eine Diode 66 zwischen Masse 43 und die Verbindung des Stromspiegels 64 zur Masse 43 geschaltet. Diese Verbindung ist bei MOSFETs als Transistoren 641, 642 durch die Source-Anschlüsse gebildet. Hierbei ist die Kathode der Diode 66 mit Masse 43 verbunden. Die Anode der Diode 63 ist mit dem Stromspiegel 64 verbunden.
Bei der zweiten Gleichtaktbegrenzungseinheit 6400 ist eine Zenerdiode 630 zwischen den Stromspiegel 64A und die Verbindung zur Masse 43 geschaltet. Zudem ist eine Diode 660 zwischen die Verbindung des Stromspiegels 64A zur Masse 43 und Masse 43 geschaltet. Diese Verbindung ist bei MOSFETs als Transistoren 6410, 6420 durch die Gate-Anschlüsse der Transistoren 6410, 6420 und den Drain-Anschluss des zweiten Transistors 6420 gebildet. Hierbei ist die Kathode der Diode 660 mit der Kathode der Zenerdiode 630 verbunden. Die Anode der Zenerdiode 630 ist mit dem Stromspiegel 64A verbunden. Die Anode der Diode 660 ist mit Masse 430 verbunden.
Auch hier kann die zweite Zenerdiode 630 eine Durchbruchspannung aufweisen, die größer ist als die Durchbruchspannung der ersten Zenerdiode 63.
Mit der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C ist noch eine bessere Begrenzung von Störungen möglich, die, durch insbesondere die Gleichtaktspannung Us, bei der Übertragung der Nachrichten 45, 46 im Bussystem 1 hervorgerufen werden könnten.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60A, 60B, 60C, der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, der Sende-/Empfangseinrichtung 12, 22, 32, des Bussystems 1 und des darin ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen beliebig kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Jede der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60A, 60B kann mehr als nur einen Stromspiegel aufweisen. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung 60C kann mehr als die zwei Stromspiegel aufweisen, beispielsweise einen weiteren Stromspiegel mit einem Widerstand 65.
Auch wenn die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60A, 60B, 60C in Bezug auf das CAN-Bussystem beschrieben sind, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60A, 60B, 60C der Ausführungsbeispiele und deren Modifikationen sind in allen verzweigten Bussystemen, also nicht nur bei CAN- und CAN-FD-Netzwerken einsetzbar. In gleicher Weise sind die beschriebenen Schaltungen für verzweigte Bussysteme ohne differenzielle Signalübertragung wie z.B. Ethernet, LVDS (Low Voltage Differential Signaling = Datenübertragung mit niedriger Spannung), USB (Universal Serial Bus = Universeller serieller Bus), LIN (Local Interconnect Network = lokales Zwischenverbindungsnetzwerk), SPI (Serial Peripheral Interface = serielle Peripherieschnittstelle) oder I²C (Inter-Integrated Circuit = Bus zur geräteinternen Kommunikation) einsetzbar.
Zudem sind die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtungen 60, 60A, 60B, 60C in einem parallelen Bussystem einsetzbar, wie beispielsweise bei einer steuergerätinternen Kommunikation, insbesondere in einem Mikrocontroller.
Das zuvor beschriebene Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen ist anhand eines auf dem CAN-Protokoll basierenden Bussystems beschrieben. Das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen kann jedoch auch eine andere Art von Kommunikationsnetz sein, bei welchem Daten seriell mit zwei verschiedenen Bitraten übertragbar sind. Es ist vorteilhaft, jedoch nicht zwangsläufige Voraussetzung, dass bei dem Bussystem 1 zumindest für bestimmte Zeitspannen ein exklusiver, kollisionsfreier Zugriff einer Teilnehmerstation 10, 20, 30 auf einen gemeinsamen Kanal gewährleistet ist.
Die Anzahl und Anordnung der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 der Ausführungsbeispiele ist beliebig. Es ist möglich, dass eine oder mehrere der Teilnehmerstationen 10 oder 20 oder 30 in dem Bussystem 1 vorhanden sind.

Claims

Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) für einen Bus (40) eines Bussystems (1), mit mindestens einem Stromspiegel (64; 64A) der zwischen eine erste und eine zweite Busleitung (41; 42) des Busses (40) geschaltet ist, wobei der Stromspiegel (64; 64A) einen ersten Transistor (641; 6410) und einen zweiten Transistor (642; 6420) aufweist, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und wobei mindestens zwei Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors (641, 642; 6410; 6420) miteinander und mit Masse (43) verbunden sind.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B) nach Anspruch 1, wobei der Stromspiegel (64; 64A) zwischen den Busleitungen (41; 42) zum Angleichen von Strömen (I_L; I_H) angeschlossen ist, die von den Busleitungen (41; 42) abgeführt werden.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B) nach Anspruch 1 oder 2, zudem mit einer Zenerdiode (63), die zwischen die zweite Busleitung (42) und den zweiten Transistor (642) des Stromspiegels (64) geschaltet ist, wobei der erste Transistor (641) des Stromspiegels (64) direkt an die erste Busleitung (42) angeschlossen ist.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Zenerdiode (630), die zwischen einen Anschluss des ersten Transistors (6410) und einen Anschluss des zweiten Transistors (6420) geschaltet ist, und einer Diode (660), die zwischen die Zenerdiode (630) und Masse (43) geschaltet ist.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60A) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einem Widerstand (65), der zwischen die Verbindung des ersten und zweiten Transistors (641, 642) und Masse (43) geschaltet ist.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) nach Anspruch 5, wobei mindestens ein erster Stromspiegel (64; 640) über den Widerstand (65) zur Masse (43) geschaltet ist und eine erste Zenerdiode (63) zwischen die zweite Busleitung (41) und den mindestens einen ersten Stromspiegel (64; 640) geschaltet ist, wobei mindestens ein zweiter Stromspiegel (64; 640) ohne den Widerstand (65) mit Masse (43) verbunden ist und eine zweite Zenerdiode (63; 630) an den mindestens einen zweiten Stromspiegel (64; 640) angeschlossen ist, und wobei die zweite Zenerdiode (63; 630) eine Durchbruchspannung aufweist, die größer ist als die Durchbruchspannung der ersten Zenerdiode (63).
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60B) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Stromspiegel (64; 640) zum Ableiten von Spannungen größer etwa 58 V und von Spannungen kleiner etwa -58 V zur Masse (43) ausgestaltet ist.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit mindestens einem Stromspiegel (60), der zum Begrenzen von positiven Gleichtaktspannungen (Us) ausgestaltet ist, und mindestens einem Stromspiegel (60), der zum Begrenzen von negativen Gleichtaktspannungen (Us) ausgestaltet ist.
Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer ersten Suppressordiode (61), die zwischen eine erste Busleitung (41) des Busses (40) und Masse (43) geschaltet ist, und einer zweiten Suppressordiode (62), die zwischen eine zweite Busleitung (42) des Busses (40) und Masse (43) geschaltet ist, wobei jede der ersten und zweiten Suppressordiode (61, 62) zum Ableiten von Spannungen größer etwa 58 V und von Spannungen kleiner etwa -58 V zur Masse (43) ausgestaltet ist.
Teilnehmerstation (10; 20; 30) für ein Bussystem (1), mit einer Sende- und Empfangseinrichtung (12; 22; 32) zum Senden von Nachrichten (45; 46) auf einen Bus (40) des Bussystems (1) und/oder zum Empfangen von Nachrichten (45; 46) von dem Bus (40) des Bussystems (1), und einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 10, wobei die Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) in die Sende- und Empfangseinrichtung (12; 22; 32) integriert ist.
Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach Anspruch 10 oder 11, zudem mit einer Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) zum Erzeugen und Senden von Nachrichten (45; 46) an die Sende- und Empfangseinrichtung (12; 22; 32) und zum Empfangen und Auswerten von Nachrichten (45; 46) von der Sende- und Empfangseinrichtung (12; 22; 32), wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (11; 21; 31) ausgestaltet ist, die Nachrichten (45; 46) derart zu erzeugen, dass in der ersten Kommunikationsphase zum Senden der Nachrichten (45; 46) auf den Bus (40) zwischen den Teilnehmerstationen (10; 20, 30) des Bussystems (1) ausgehandelt wird, welche der Teilnehmerstationen (10; 20; 30) in der nachfolgenden zweiten Kommunikationsphase zumindest zeitweise einen exklusiven, kollisionsfreien Zugriff auf den Bus (40) des Bussystems (1) hat.
Bussystem (1), mit einem Bus (40), mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30), welche über den Bus (40) derart miteinander verbunden sind, dass sie seriell miteinander kommunizieren können, und mindestens einer Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für mindestens eine Busleitung (41; 42) des Busses (40).
Bussystem (1) nach Anspruch 13, wobei die mindestens zwei Teilnehmerstationen (10; 20; 30) mindestens eine Teilnehmerstation (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 aufweisen.
Verfahren zum Begrenzen von Gleichtaktstörungen in einem Bussystem (1), wobei das Verfahren die Schritte aufweist Senden einer Nachricht (45; 46) in dem Bussystem (1) über einen Bus (40), zwischen dessen Busleitungen (41; 42) eine Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C) geschaltet ist, die mindestens einen Stromspiegel (64; 64A) aufweist, der zwischen die erste und zweite Busleitung (41; 42) des Busses (40) geschaltet ist, wobei der Stromspiegel (64; 64A) einen ersten Transistor (641; 6410) und einen zweiten Transistor (642; 6420) aufweist, deren Steueranschlüsse miteinander verbunden sind, und wobei mindestens zwei Anschlüsse des ersten und zweiten Transistors (641, 642; 6410; 6420) miteinander und mit Masse (43) verbunden sind, und Ableiten von elektrischen Strömen (I_H, I_L) von den Busleitungen (41; 42) mit der Gleichtaktbegrenzungsvorrichtung (60; 60A; 60B; 60C), um Gleichtaktstörungen auf den Busleitungen (41; 42) zu begrenzen.