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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sende-/Empfangseinrichtung für ein Bussystem und ein Verfahren zur Reduktion von leitungsgebundenen Emissionen in einem Bussystem. Das Bussystem ist insbesondere ein CAN und/oder CAN FD Bussystem. Die Sende-/Empfangseinrichtung ist insbesondere in einem CAN oder CAN FD Bussystem einsetzbar.
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Stand der Technik
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In einem Bussystem werden Informationen bzw. Daten, die in Bytes bzw. Bits enthalten sind, als Nachrichten über einen Bus zwischen Busteilnehmern übertragen. Die Informationen werden dabei durch unterschiedliche Bitzustände oder Spannungszustände dargestellt. Die unterschiedlichen Bitzustände haben beim Übertragen der Nachricht über den Bus des Bussystems unterschiedliche Buszustände zur Folge. Je nach Bussystem existieren für Nachrichten- oder Datenübertragung verschiedene Übertragungsprotokolle.
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Beispielsweise werden beim CAN-Bussystem Nachrichten mittels des CAN- und/oder CAN FD Protokolls übertragen, wie es im Standard ISO-11898-1:2015 als CAN Protokoll-Spezifikation mit CAN FD beschrieben ist. Das CAN-Bussystem ist heute für die Kommunikation zwischen Sensoren und Steuergeräten weit verbreitet, wobei CAN FD derzeit in der Einführungsphase ist. Oft wird das CAN-Bussystem in Fahrzeugen oder Automatisierungsanlagen, usw. für eine Kommunikation zwischen den einzelnen Busteilnehmern eingesetzt.
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Für die Datenübertragung in einem CAN-Bussystem ist eine Einhaltung vorbestimmter Parameter gefordert. Neben der Einhaltung von funktionalen Parametern wird die Abstrahlung (Emission), die Störfestigkeit (Direct Pin Injection - DPI) und der Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD = electrostatic discharge) betrachtet.
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Die Messung der leitungsgebundenen Emission von CAN- oder CAN FD-Transceivern bzw. CAN- oder CAN FD-Sende-/Empfangseinrichtungen erfolgt entsprechend der 1500hm-Methode (IEC 61967-4, Integrated circuits, Measurement of electromagnetic emissions, 150 kHz to 1 GHz - Part 4: Measurement of conducted emissions - 1/150 direct coupling method) und gemäß IEC 62228 (EMC evaluation of CAN Transceivers). Bei der Emissionsmessung wird ein heruntergeteiltes Wechselspannungssignal bewertet, das sich auf den beiden Busadern der Busleitung für die Signale CAN_H und CAN_L ausbildet.
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In dem Dokument „IEC TS 62228 Integrated circuits - EMC evaluation of CAN transceivers“ ist der Aufbau bei der EMV-Messung festgeschrieben. Dabei werden drei Sende-/Empfangseinrichtungen am gleichen CAN-Bus mit einem gemeinsamen 600hm Abschlusswiderstand und einem Auskoppelnetzwerk betrieben. Eine der Sende-/Empfangseinrichtungen sendet ein Sendesignal, die anderen Sende-/Empfangseinrichtungen befinden sich im gleichen Betriebsmodus, senden jedoch kein dominantes Bit oder keinen dominanten Signalzustand, so dass die Sendesignale dieser anderen Sende-/Empfangseinrichtungen high = rezessiv sind. Der resultierende dominante Buszustand kann den resultierenden rezessiven Buszustand überschreiben.
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Problematisch ist, dass auch bei CAN FD die gleichen Emissionsgrenzen einzuhalten sind wie bei CAN, obwohl bei CAN FD mit 2 Mbit/s und 5 Mbit/s die Bitrate im Vergleich zum klassischen CAN bei 500 kbit/s um das 4 - bzw. 10-Fache erhöht wird. Dies stellt für die Erfüllung der Anforderungen zur Einhaltung der Parameter für die leitungsgebundene Emission eine massive Herausforderung dar, die mit bisherigen Maßnahmen nicht oder nicht zufriedenstellend lösbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sende-/Empfangseinrichtung für ein Bussystem und ein Verfahren zur Reduktion von leitungsgebundenen Emissionen in einem Bussystem bereitzustellen, welche die zuvor genannten Probleme lösen. Insbesondere sollen eine Sende-/Empfangseinrichtung für ein Bussystem und ein Verfahren zur Reduktion von leitungsgebundenen Emissionen in einem Bussystem bereitgestellt werden, welche den Spannungsverlauf auf der Busleitung für die Signale CAN_H, CAN_L symmetrisch gestalten können, um so die leitungsgebundene Emission zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird durch eine Sende-/Empfangseinrichtung für ein Bussystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Sende-/Empfangseinrichtung umfasst eine Sendestufe zum Senden eines Sendesignals an eine erste Busader eines Busses des Bussystems und zum Senden des Sendesignals als inverses Signal an eine zweite Busader des Busses, und ein Asymmetrie-Reduktionsmodul zur Reduktion einer Asymmetrie von sich auf den Busadern einstellenden Bussignalen, wobei das Asymmetrie-Reduktionsmodul eine Umpoldiode aufweist, deren Kathode mit der Kathode einer Verpoldiode der Sendestufe verbunden ist, wobei das Asymmetrie-Reduktionsmodul ausgestaltet ist, ein Potenzial der Kathode der Umpoldiode auf ein Potenzial zu schalten, das größer oder gleich einem Pegel eines rezessiven Buszustands ist, und wobei die Sendestufe ausgestaltet ist, die zwei Buszustände für das Sendesignal derart zu erzeugen, dass der rezessive Buszustand von einem dominanten Buszustand überschreibbar ist.
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Mit der beschriebenen Sende-/Empfangseinrichtung wird ein stark asymmetrischer Verlauf der Spannung auf den Busadern CAN_H, CAN_L der Busleitung vermieden, der in der Sendestufe der Sende-/Empfangseinrichtung von notwendigen Verpoldioden hervorgerufen wird. Die Verpoldioden für jede Busader CAN_H, CAN_L sind notwendig, um für die maximal auftretenden Spannungen zwischen -27V bis 40 V der CAN-FD Anforderungen (maximum ratings) einen ungewollten Stromfluss an den Busadern CAN_H, CAN_L zu verhindern. Die Sende-/Empfangseinrichtung kann einen parasitären Reverse Recovery Effekt aufgrund der notwendigen Verpoldiode beim Wechsel vom dominanten in den rezessiven Buszustand verhindern, der zu einem stark asymmetrischen Verlauf der Busadern führt. Der parasitäre Reverse Recovery Effekt entsteht durch eine parasitäre Diode, die sich in integrierten Schaltungen für diese Verpoldioden gegenüber einem Halbleitersubstrat bildet. Dies hat ein Verhalten zur Folge, das dem eines pnp-Transistors entspricht, dessen n-dotierte Basis durch die gemeinsame Kathode gebildet wird. Für integrierte Bauelemente, mit denen eine Verpoldiode realisiert wird, spricht man in diesem Zusammenhang auch von parasitären Bipolartransistoren.
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Noch dazu kann mit der beschriebenen Sende-/Empfangseinrichtung eine starke Verringerung von überlagerten, parasitären Strömen auf der Busader für das Signal CAN_L beim Wechsel zwischen einem dominanten Buszustand zu einem rezessiven Buszustand erzielt werden, der auch Dominant-Rezessiv-Übergang genannt wird.
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Ein anderer Vorteil der beschriebenen Sende-/Empfangseinrichtung liegt auch darin, dass aufgrund der zusätzlichen Verpoldiode zu keinem Zeitpunkt der Rezessivpegel aktiv getrieben wird. Dies ist insbesondere gegenüber einer anderen Alternative, wie beispielsweise „Nulling“, ein großer Vorteil, bei der aktiv Spannung zum Dominant-Rezessiv-Übergang eingeprägt wird.
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Insgesamt ist mit der beschriebenen Sende-/Empfangseinrichtung eine erhöhte Symmetrie der Spannungen auf den beiden Busadern CAN_H, CAN_L beim Dominant-Rezessiv-Übergang erreichbar. Außerdem kann eine Erhöhung der Symmetrie der beiden Busadern CAN_H, CAN_L bezüglich deren Impedanz erreicht werden.
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Im Ergebnis ist eine massive Verbesserung der Abstrahlpegel, insbesondere von Störstrahlung, erreichbar, insbesondere um einige dBµV.
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Dadurch ist die leitungsgebundene Emission reduziert und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Sende-/Empfangseinrichtung verbessert. Die Erfindung hilft, die Emission der Sende-/Empfangseinrichtung bei CAN-FD-Bitraten zu reduzieren und liefert einen großen Beitrag auf dem Weg zur Einhaltung der Grenzwerte.
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Die Wirkung der Sende-/Empfangseinrichtung ist besonders vorteilhaft bei der Verwendung einer Gleichtaktdrossel, die üblicherweise einen Induktivitätswert von 100µH hat, da bei dieser mit einer herkömmlichen Sende-/Empfangseinrichtung besonders stark überhöhte Abstrahlpegel auftreten.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Sende-/Empfangseinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat das Asymmetrie-Reduktionsmodul einen Widerstand und einen Schalter, die in Reihe zu der Umpoldiode geschaltet sind. Zudem kann eine Einstellschaltung zur Einstellung des Werts des Widerstands vorhanden sein, um die Dauer der Asymmetrie der sich auf den Busadern einstellenden Bussignale zu vermindern.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel hat das Asymmetrie-Reduktionsmodul einen Verpolungsstrom-Einstellblock und einen Schalter, die in Reihe zu der Umpoldiode geschaltet sind. Hierbei kann der Verpolungsstrom-Einstellblock als einstellbarer Widerstand ausgestaltet sein, dessen Widerstandswert einstellbar ist. Alternativ hat der Verpolungsstrom-Einstellblock mindestens einen CMOS- Stromspiegel.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung kann zudem eine Logik zum Ausschalten des Asymmetrie-Reduktionsmoduls nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Einschalten des Asymmetrie-Reduktionsmoduls aufweisen.
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Denkbar ist, dass die Sende-/Empfangseinrichtung zudem eine Einstellschaltung zur Einstellung eines Zeitpunkts und der Zeitdauer des Einschaltens des Asymmetrie-Reduktionsmoduls aufweist.
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Möglicherweise ist die Einstellschaltung ausgestaltet, zur Regelung der Asymmetrie den Verlauf der Kathodenspannung der Umpoldiode zu beobachten. Hierbei kann die Einstellschaltung ausgestaltet sein, den Wert einer Spannung zu ändern, die an einem Anschluss in das Asymmetrie-Reduktionsmodul eingespeist wird, um die Kathodenspannung der Umpoldiode auf ein Potenzial zu schalten, das größer oder gleich einem Pegel des rezessiven Buszustands ist.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Einstellschaltung ausgestaltet, zur Regelung der Asymmetrie den Verlauf der Bussignale an deren Anschluss für die Busadern an der Sendestufe zu beobachten.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung kann zum Senden und Empfangen von Nachrichten nach dem CAN FD Protokoll ausgestaltet sein.
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Optional ist das Asymmetrie-Reduktionsmodul derart ausgestaltet, dass das Asymmetrie-Reduktionsmodul nur aktiviert wird, wenn die Sendestufe eine Nachricht auf den Bus sendet.
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Die zuvor beschriebene Sende-/Empfangseinrichtung kann Teil eines Bussystems sein, das einen Bus, und mindestens zwei Teilnehmerstationen aufweist, welche über den Bus derart miteinander verbunden sind, dass sie miteinander kommunizieren können. Hierbei weist mindestens eine der mindestens zwei Teilnehmerstationen eine zuvor beschriebene Sende-/Empfangseinrichtung auf.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Reduktion von leitungsgebundenen Emissionen in einem Bussystem mit den Merkmalen von Anspruch 15 gelöst. Das Verfahren wird mit einer Sende-/Empfangseinrichtung für ein Bussystem ausgeführt, die eine Sendestufe und ein Asymmetrie-Reduktionsmodul aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Senden, mit der Sendestufe, eines Sendesignals an eine erste Busader eines Busses des Bussystems, Senden, mit der Sendestufe, des Sendesignals als inverses Signal an eine zweite Busader des Busses, und Reduzieren, mit dem Asymmetrie-Reduktionsmodul, einer Asymmetrie eines sich auf den Busadern einstellenden Bussignals, wobei das Asymmetrie-Reduktionsmodul eine Umpoldiode aufweist, deren Kathode mit der Kathode einer Verpoldiode der Sendestufe verbunden ist, wobei das Asymmetrie-Reduktionsmodul ein Potenzial der Kathode der Umpoldiode auf ein Potenzial schaltet, das größer oder gleich einem Pegel eines rezessiven Buszustands ist, und wobei die Sendestufe die zwei Buszustände für das Sendesignal derart erzeugt, dass der rezessive Buszustand von einem dominanten Buszustand überschreibbar ist.
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Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Sende-/Empfangseinrichtung genannt sind.
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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.
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Figurenliste
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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 ein elektrisches Schaltbild einer Sende-/Empfangseinrichtung des Bussystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 einen zeitlichen Verlauf einer Spannung U der Bussignale CAN_H und CAN_L bei der Sende-/Empfangseinrichtung von 2, wenn das Asymmetrie-Reduktionsmodul nicht eingeschaltet ist;
- 4 einen zeitlichen Verlauf der Spannung U der Bussignale CAN_H und CAN_L bei der Sende-/Empfangseinrichtung von 2, wenn das Asymmetrie-Reduktionsmodul eingeschaltet ist; und
- 5 ein elektrisches Schaltbild einer Sende-/Empfangseinrichtung eines Bussystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Bussystem 1, das beispielsweise zumindest abschnittsweise ein CAN-Bussystem, ein CAN-FD-Bussystem, usw., sein kann. Das Bussystem 1 kann in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Flugzeug, usw., oder im Krankenhaus usw. Verwendung finden.
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In 1 hat das Bussystem 1 eine Vielzahl von Teilnehmerstationen 10, 20, 30, die jeweils an einen Bus 40 mit einer ersten Busader 41 und einer zweiten Busader 42 angeschlossen sind. Die Busadern 41, 42 können auch CAN_H und CAN_L genannt werden und dienen zur elektrischen Signalübertragung nach Einkopplung der dominanten Pegel bzw. Erzeugung von rezessiven Pegeln für ein Signal im Sendezustand. Über den Bus 40 sind Nachrichten 45, 46, 47 in der Form von Signalen zwischen den einzelnen Teilnehmerstationen 10, 20, 30 übertragbar. Die Teilnehmerstationen 10, 20, 30 sind beispielsweise Steuergeräte oder Anzeigevorrichtungen eines Kraftfahrzeugs.
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Wie in 1 gezeigt, haben die Teilnehmerstationen 10, 30 jeweils eine Kommunikationssteuereinrichtung 11 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 12. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12 umfassen jeweils ein Asymmetrie-Reduktionsmodul 15. Die Teilnehmerstation 20 hat dagegen eine Kommunikationssteuereinrichtung 11 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 13. Die Sende-/Empfangseinrichtungen 12 der Teilnehmerstationen 10, 30 und die Sende-/Empfangseinrichtung 13 der Teilnehmerstation 20 sind jeweils direkt an den Bus 40 angeschlossen, auch wenn dies in 1 nicht dargestellt ist.
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Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 dient zur Steuerung einer Kommunikation der jeweiligen Teilnehmerstation 10, 20, 30 über den Bus 40 mit einer anderen Teilnehmerstation der an den Bus 40 angeschlossenen Teilnehmerstationen 10, 20, 30. Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 dient zum Senden der Nachrichten 45, 47 in Form von Signalen und nutzt hierbei das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15, wie später noch ausführlicher beschrieben. Die Kommunikationssteuereinrichtung 11 kann insbesondere wie ein herkömmlicher CAN-FD-Controller und/oder CAN-Controller ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 13 kann insbesondere wie ein herkömmlicher CAN-Transceiver und/oder CAN-FD-Transceiver ausgeführt sein. Die Sende-/Empfangseinrichtung 13 kann insbesondere wie ein herkömmlicher CAN-Transceiver ausgeführt sein.
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2 zeigt den grundlegenden Aufbau der Teilnehmerstation 10, insbesondere deren Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit dem Asymmetrie-Reduktionsmodul 15. Die Teilnehmerstation 30 ist auf dieselbe Weise aufgebaut wie die Teilnehmerstation 10.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 hat einen Sendetreiber 121 und eine Sendestufe 122 sowie das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15. Zudem hat die Sende-/Empfangseinrichtung 12 eine Empfangsstufe 123, die jedoch in 2 zur Vereinfachung der Zeichnung nicht genauer dargestellt ist.
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Die Sende-/Empfangseinrichtung 12 ist an den Bus 40, genauer gesagt dessen erste Busader 41 für CAN_H und dessen zweite Busader 42 für CAN_L angeschlossen. Die Spannungsversorgung, insbesondere CAN-SUPPLY, für die erste und zweite Busader 41, 42 erfolgt über einen Anschluss 43. Der Anschluss an Masse bzw. CAN_GND ist über einen Anschluss 44 realisiert. Zwischen die erste und zweite Busader 41, 42 ist optional eine Gleichtaktdrossel 48 geschaltet, die auch Common-Mode-Choke genannt wird. Die Gleichtaktdrossel 48 bewirkt einen Schutz der Sende-/Empfangseinrichtung 12 vor Überspannungen, insbesondere unerwünschten statischen Entladungen (ESD = Electrostatic Discharge). Die erste und zweite Busader 41, 42 sind mit einem Abschlusswiderstand 49 terminiert.
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Die erste und zweite Busader 41, 42 sind in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit der Sendestufe 122 verbunden, die auch als Transmitter bezeichnet wird.
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Außerdem sind die erste und zweite Busader 41, 42 in der Sende-/Empfangseinrichtung 12 mit der Empfangsstufe 123 verbunden, die auch als Receiver bezeichnet wird. Hierfür hat die Empfangsstufe 123, wie herkömmlich üblich einen Empfangskomparator, der mit dem Bus 40 verbunden ist, auch wenn dies in 2 zur Vereinfachung nicht näher dargestellt ist.
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Die genaue Anschaltung zum Treiben eines digitalen Sendesignals TxD von der Kommunikationssteuereinrichtung 11 über einen Anschluss 111 erfolgt wie herkömmlich üblich. Außerdem erfolgt die Anschaltung zum Treiben eines Empfangssignals RxD von der Sende-/Empfangseinrichtung 12 zu der Kommunikationssteuereinrichtung 11 über einen Anschluss 112 wie herkömmlich üblich. Daher ist diese Anschaltung in 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt. Das digitale Empfangssignal RxD wurde mit der Empfangsstufe 123 aus dem von den Busadern 41, 42 empfangenen Signal erzeugt.
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Gemäß 2 ist die Sendestufe 122 an einen herkömmlichen Treiber 121 für die Signale für die erste und zweite Busader 41, 42 angeschlossen. Zudem ist an die Sendestufe 122 das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 angeschlossen. Die Sendestufe 122 hat herkömmliche Halbleiterelemente, eine Verpoldiode 1221 für die erste Busader 41 bzw. das Signal CAN_H, eine Verpoldiode 1222 für die zweite Busader 42 bzw. das Signal CAN_L. Zudem bildet sich im Betrieb eine parasitäre Substratdiode 1223 des Halbleitersubstrats der Sendestufe 122 aus. Die Kathoden der Verpoldiode 1222 für die zweite Busader 42 bzw. das Signal CAN_L und die Kathode der parasitären Substratdiode 1223 sind miteinander verbunden. Die Anode der Verpoldiode 1222 ist geerdet bzw. mit Masse verbunden.
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Das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 umfasst einen Anschluss 150 für eine Spannungsversorgung V mit einer Spannung VReverse, einen Widerstand 151, einen Schalter 152, eine Logik 153 und eine Diode 154, die auch als Umpoldiode bezeichnet werden kann.
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Die Kathode der Umpoldiode 154 ist mit der Kathode der Verpoldiode 1222, die für die zweite Busader 42 bzw. das Signal CAN_L vorgesehen ist, und mit der Kathode der parasitären Substratdiode 1223 verbunden. Die Anode der Umpoldiode 154 ist mit dem Ausgang des Schalters 152 verbunden.
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Der Schalter 152 dient zum Einschalten oder Ausschalten des Asymmetrie-Reduktionsmoduls 15 mittels der Logik 153. Hierbei stellt der Widerstand 151 den Stromfluss von dem Anschluss 150 über den Schalter 152 zu der Kathode der Umpoldiode 154 ein. Der Schalter 152 ist in 2 als Transistor ausgeführt. Der Transistor kann beispielsweise ein Metall-Isolator-Feldeffekttransistor sein. Insbesondere ist der Transistor ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder als ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ausgeführt, der auch als IGFET bezeichnet wird.
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Somit umfasst das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15, zusätzlich zu der Logik 153, einen Widerstand 151, einen Schalter 152 und eine Diode 154, die in der genannten Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, wie in 3 gezeigt.
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3 zeigt einen Spannungsverlauf für die Signale CAN_H und CAN_L auf den Busadern 41, 42 von 2, wenn das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 durch die Logik 153 nicht eingeschaltet ist und somit nicht aktiv ist. Entsprechend des Stimulus am TxD Eingang 111 treiben der Treiber 1221 und die Sendestufe 1222 den dominanten Buszustand 402. In diesem Zustand ist bei der Schaltung von 2 der Strompfad von CAN_SUPPLY am Eingang 43 zu dem Anschluss 44 für CAN_GND über den Widerstand 49, die Bus-Last RL, geschlossen, so dass sich bei der Sende-/Empfangseinrichtung 12 an den Busausgängen CAN_H und CAN_L für die Busadern 41, 42 die in 3 dargestellten Pegel der Zustände 401, 402 einstellen. Das Signal CAN_L wird als inverses Signal zu CAN_H erzeugt. Bei dem Beispiel von 3 ist ein Übergang der Signale CAN_H und CAN_L von einem rezessiven Buszustand 401 zu einem dominanten Buszustand 402 und wieder zurück zu einem rezessiven Buszustand 401 veranschaulicht. Das Umschalten von dem dominanten Buszustand 402 zu dem rezessiven Buszustand 401 erfolgt nach einer Bitzeitdauer T_B. Der dominante Buszustand 402 ist derart erzeugt, dass der dominante Buszustand 402 den rezessiven Buszustand 401 überschreiben kann.
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Wie in 3 deutlich sichtbar, tritt nach dem Umschalten von dem dominanten Buszustand 402 zu dem rezessiven Buszustand 401 eine Asymmetrie RR der Signale CAN_H und CAN_L auf. Die Asymmetrie RR tritt aufgrund des Reverse Recovery Effekts in der Basis des parasitären PNP Transistors der Sendestufe 122 auf, der durch die parasitäre Diode 1223 entsteht. Die Asymmetrie RR ist in anderen Worten ein Pegelversatz der Signale CAN_H und CAN_L nach dem Wechsel vom dominanten Buszustand 402 in den rezessiven Buszustand 401.
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Der Grund für den Reverse Recovery Effekt und damit die Asymmetrie RR liegt darin, dass beim Wechsel vom dominanten Buszustand 402 in den rezessiven Buszustand 401 in der Sendestufe 122 die Strompfade für die Anschlüsse für die Signale CAN_H und CAN_L unterbrochen werden, so dass sich die Spannungsverläufe von CAN_H und CAN_L auf den rezessiven Buszustand 401 einstellen. Während dieses Überganges wird im CAN_L-Pfad die Kathode der Verpoldiode 1222 im Vergleich zu dem Anschluss 44 für CAN_GND hochohmig. Zu dem Zeitpunkt, an dem die Kathodenspannung der Verpoldiode 1222 soweit angestiegen ist, dass die Flussspannung der Verpoldiode 1222 unterschritten wird, verbleiben in der gemeinsamen n-dotierten Kathode (Basis des PNP Transistors) weiterhin Ladungsträger. Diese Ladungsträger können nur als Rekombinationsstrom abgeführt werden. Während dieser Rekombinationszeit verbleibt ein Stromfluss von CAN_L zum Halbleitersubstrat, insbesondere Silizium-Substrat, der Sendestufe 122. Der Stromfluss bewirkt, dass die Spannung an dem Anschluss für das Signal CAN_L deutlich später und mit einem deutlich anderen Verlauf den rezessiven Buszustand 401 erreicht als die Spannung an dem Anschluss für das Signal CAN_H, wie die Asymmetrie RR in 3 zeigt.
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Auf den Busadern 41, 42 ist dieser Pegelversatz der Signale CAN_H und CAN_L während des Übergangs vom dominanten in den rezessiven Buszustand als Common Mode Signal zu beobachten und trägt erheblich zur leitungsgebundenen Emission bei. Besonders erhebliche Auswirkung hat dieser Effekt bei der optionalen Verwendung von Gleichtaktdrosseln 48 am CAN-Bus 40. Der Pegelversatz wirkt hier als Anregung der Drosselinduktivitäten und bewirkt dadurch Gleichtaktschwingungen (Ringing) an den Busadern 41, 42, was im Ergebnis zu stark erhöhten Emissionspegeln führt.
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Der hier beschriebene Effekt tritt prinzipiell bei allen CAN-FD-Systemen auf, die in Smart-Power Technologien mit Deep Trench Isolierung (= DTI = tiefe Grabenisolation) gefertigt werden und für welche die Verpoldioden 1221, 1222 der Sendestufe 122 aus Hochvolt-Bauelementen realisiert werden.
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4 zeigt einen Spannungsverlauf für die Signale CAN_H und CAN_L auf den Busadern 41, 42, wenn das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 durch die Logik 153 und den Schalter 152 eingeschaltet ist und somit aktiv ist. Bei dem Beispiel von 4 ist ein Übergang der Signale CAN_H und CAN_L von einem rezessiven Buszustand 401 zu einem dominanten Buszustand 402 und wieder zurück zu einem rezessiven Buszustand 401 veranschaulicht, wie in 3. Die Logik 153 schaltet den Schalter 152 insbesondere nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer T_E oder maximal nach der Zeitdauer eines rezessiven Bits wieder aus. Die Zeitdauer eines rezessiven Bits kann gleich der Zeitdauer T_B sein, also gleich der Zeitdauer eines dominanten Bits.
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Somit bewirkt das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 eine Minimierung des problematischen Reverse Recovery Effekts durch Umpolung der Verpoldiode 1222 im CAN_L-Pfad. Dies wird erreicht, indem die Kathode der Verpoldiode 1222 mit dem Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 auf ein Potenzial geschaltet wird, das größer oder gleich dem Pegel des rezessiven Zustands 401 des Signals CAN_L bzw. dem Rezessivpegel des Signals CAN_L ist. Auf diese Weise wird der Rekombinationsstrom maßgeblich durch die Schaltung des Asymmetrie-Reduktionsmoduls 15 und nicht mehr über die Busader 42 am Anschluss für das Bussignal CAN_L geliefert. Im Ergebnis wird durch diese Umpolung die Dauer des Reverse Recovery Effektes auf der CAN_L Busader 42 verkürzt und so der Spannungsverlauf im Vergleich zu dem Signal CAN_H auf der Busader 41 symmetrisiert.
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Mit Hilfe des Widerstands 151 wird der Strom während der zuvor beschriebenen Umpolung begrenzt. Die Diode 154 wirkt ebenfalls als Verpoldiode für Spannungspegel an CAN_L, die größer als der Pegel der Spannung VReverse ist. Der maximale Wert (maximum rating) beträgt hierfür 40V, wie in den Vorgaben für CAN festgelegt.
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Im Betrieb des Bussystems 1 erfasst die Logik 153 von 2, wann von einem dominanten Buszustand 402 zu einem rezessiven Buszustand 401 umzuschalten ist. Ist die Umschaltung von einem dominanten Buszustand 402 zu einem rezessiven Buszustand 401 vorzunehmen, schaltet die Logik 153 den Transistor 152, um die zuvor beschriebene Schaltung der Kathode der Verpoldiode 1222 auf das Potenzial vorzunehmen, das größer oder gleich dem Pegel des rezessiven Zustands 401 des Signals CAN_L ist. Die Logik 153 schaltet den Transistor 152 nach der vorbestimmten Zeitdauer T_E oder maximal nach der Zeitdauer eines rezessiven Bits wieder aus.
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Das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 hat durch den zuvor beschriebenen Aufbau den Vorteil, dass der Rezessivpegel des rezessiven Zustands 401 des Signals CAN_L zu keinem Zeitpunkt aktiv getrieben wird.
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Somit wird mit der Sende-/Empfangseinrichtung 12 ein Verfahren zur Reduzierung von leitungsgebundenen Emissionen in einem Bussystem 1 durchgeführt. Die Schwingung bzw. Emission aufgrund eines Übergangs zwischen unterschiedlichen Buszuständen wird mit dem Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 deutlich gedämpft und somit reduziert.
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Gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels hat auch die Teilnehmerstation 20 anstelle einer Sende-/Empfangseinrichtung 13 eine Sende-/Empfangseinrichtung 12. In diesem Fall ist die zuvor beschriebene Funktionalität der Sende-/Empfangseinrichtung 12 für alle Teilnehmerstationen 10, 20, 30 des Bussystems aktiv, insbesondere je nach Bedarf.
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Gemäß einer anderen Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels ist es möglich, dass das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 derart ausgestaltet ist, dass die Asymmetrie-Reduktionsmodul 15 nur aktiviert wird, wenn die Sendestufe 122 eine Nachricht 45 auf den Bus 40 sendet.
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5 zeigt den grundlegenden Aufbau einer Sende-/Empfangseinrichtung 12A, die im Unterschied zu 2 ein Asymmetrie-Reduktionsmodul 15A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel aufweist. Das Bussystem 1 und die Sende-/Empfangseinrichtung 12A sind bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede auf die gleiche Weise aufgebaut, wie zuvor gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel oder seinen Modifikationen für das Bussystem 1 und die Sende-/Empfangseinrichtung 12 beschrieben.
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Das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15A hat anstelle eines Widerstands 151 einen Verpolungsstrom-Einstellblock 151A. Zudem ist optional eine Einstellschaltung 155 vorhanden.
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Der Verpolungsstrom-Einstellblock 151A kann die Dauer des Reverse Recovery Effektes einstellen, um etwaige Asymmetrien zu dem Signal CAN_H zu verbessern. Insbesondere soll die Dauer des Reverse Recovery Effektes vermindert werden.
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Hierfür kann der Verpolungsstrom-Einstellblock 151A als konfigurierbarer bzw. einstellbarer Widerstand ausgestaltet sein. Alternativ kann der Verpolungsstrom-Einstellblock 151A zur Begrenzung des Verpolungsstroms und zur Einstellbarkeit mit Hilfe von CMOS Stromspiegeln ausgestaltet sein (CMOS = Complementary metal-oxide-semiconductor = komplementärer /sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter). Der Verpolungsstrom-Einstellblock 151A weist mindestens einen CMOS- Stromspiegel auf.
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Die optionale Einstellschaltung 155 ermöglicht, dass die jeweilige Einstellgröße des Verpolungsstroms während des Betriebs adaptiv veränderbar ist. Hierfür regelt die Einstellschaltung 155 den Verlauf der Kathodenspannung der Diode 154. Alternativ regelt bzw. verfolgt oder beobachtet die Einstellschaltung 155 direkt den Verlauf der Bussignale CAN_H und CAN_L an deren Anschluss für die Busadern 41, 42.
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Das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15A hat den Vorteil, dass bei den Signalen von 4 eine größere Symmetrie der Signale CAN_H, CAN_L erreichbar ist als bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass mindestens eines der Asymmetrie-Reduktionsmodul e 15, 15A derart ausgestaltet ist, dass der Einschaltzeitpunkt und die Zeitdauer T_E der Verpolung, also das Einschalten der Asymmetrie-Reduktionsmodul e 15, 15A, von einem Benutzer konfigurierbar ist. Dies kann durch eine Eingabe in eine Software bei der Inbetriebnahme oder Wartung der Sende-/Empfangseinrichtung 12 vorgenommen werden.
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Zudem kann die optionale Einstellschaltung 155 derart ausgestaltet sein, dass die jeweilige Einstellgröße von Einschaltzeitpunkt und Zeitdauer T_E der Verpolung während des Betriebs adaptiv veränderbar ist. Hierfür regelt die Einstellschaltung 155 den Verlauf der Kathodenspannung der Diode 154. Alternativ regelt bzw. verfolgt oder beobachtet die Einstellschaltung 155 direkt den Verlauf der Bussignale CAN_H und CAN_L an deren Anschluss für die Busadern 41, 42.
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Dadurch kann der Verlauf der Spannung des Signals CAN_L vom Nutzer beeinflusst werden und eine bessere Symmetrie des Signals CAN_L zu dem Signal CAN_H erreicht werden.
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Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass mindestens eines der Asymmetrie-Reduktionsmodul e 15, 15A derart ausgestaltet ist, dass der Wert der Verpolspannung VReverse an dem Anschluss 150 von einem Benutzer konfigurierbar ist. Dies kann durch eine Eingabe in eine Software bei der Inbetriebnahme oder Wartung der Sende-/Empfangseinrichtung 12 vorgenommen werden.
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Die Konfigurierbarkeit berücksichtigt, dass der Wirkmechanismus der Asymmetrie-Reduktionsmodul e 15, 15A mit verschieden großen Verpolspannungen VReverse realisiert werden kann, die mindestens so groß sind, wie der Rezessiv-Pegel am Bus 40. Der Rezessiv-Pegel am Bus 40 liegt typischerweise bei 2,5V, was der Hälfte der Spannung für CAN_ SUPPLY am Anschluss 43 von 2 bzw. 5 entspricht. Eine mögliche Alternative ist, die Verpolspannung VReverse =CAN_SUPPLY zu wählen, die typischerweise 5V beträgt.
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Zudem kann die optionale Einstellschaltung 155 derart ausgestaltet sein, dass die jeweilige Einstellgröße der Verpolspannung VReverse an dem Anschluss 150 während des Betriebs adaptiv veränderbar ist. Hierfür regelt die Einstellschaltung 155 den Verlauf der Kathodenspannung der Diode 154. Alternativ regelt bzw. verfolgt die Einstellschaltung 155 direkt den Verlauf der Bussignale CAN_H und CAN_L an deren Anschluss für die Busadern 41, 42.
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Mit Hilfe der Größe der Verpolspannung kann auf die Dynamik des Spannungsverlaufs an der Kathode der Diode 154 Einfluss genommen. Dadurch kann der Verlauf des Signals CAN_L im Vergleich zu dem Verlauf des Signals CAN_H eingestellt werden. In Folge dessen kann der Verlauf der Spannung des Signals CAN_L vom Nutzer beeinflusst werden und eine bessere Symmetrie des Signals CAN_L zu dem Signal CAN_H erreicht werden.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Asymmetrie-Reduktionsmodule 15, 15A, der Sende-/Empfangseinrichtungen 12, 12A, der Teilnehmerstationen 10, 20, 30, des Bussystems 1 und des darin ausgeführten Verfahrens gemäß den Ausführungsbeispielen und deren Modifikationen können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Das zuvor beschriebene Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen und/oder deren Modifikationen ist anhand eines auf dem CAN-Protokoll basierenden Bussystems beschrieben. Das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen und/oder deren Modifikationen kann jedoch eine andere Art von Kommunikationsnetz sein. 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 die Busleitung 40 gewährleistet ist.
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Das Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen und/oder deren Modifikationen ist insbesondere ein CAN-Netzwerk oder ein CAN-HS-Netzwerk oder ein CAN FD-Netzwerk oder ein FlexRay-Netzwerk. Das Bussystem 1 ist jedoch möglicherweise ein anderes serielles Kommunikationsnetzwerk.
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Insbesondere kann das Asymmetrie-Reduktionsmodul 15, 15A bei LVDS (Low Voltage Differential Signaling) eingesetzt werden, der ein Schnittstellen-Standard für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung ist, bei welcher ein Sender und ein Empfänger über eine Datenübertragungsstrecke miteinander verbunden sind. LVDS ist standardisiert nach ANSI/TIA/EIA-644-1995.
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Die Anzahl und Anordnung der Teilnehmerstationen 10, 20, 30 in dem Bussystem 1 gemäß den Ausführungsbeispielen und/oder deren Modifikationen ist beliebig. Insbesondere können nur Teilnehmerstationen 10 oder Teilnehmerstationen 30 in den Bussystemen 1 der Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen vorhanden sein.
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Die Funktionalität der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder deren Modifikationen lässt sich jeweils in einem Transceiver bzw. einer Sende-/Empfangseinrichtung 12, 12A bzw. Transceiver oder einem CAN-Transceiver oder einem Transceiver-Chipsatz oder einem CAN-Transceiver-Chipsatz, usw. umsetzen. Zusätzlich oder alternativ kann es in existierende Produkte integriert werden. Insbesondere ist es möglich, dass die betrachtete Funktionalität entweder im Transceiver als separater elektronischer Baustein (Chip) realisiert oder in einer integrierten Gesamtlösung, bei welchem nur ein elektronischer Baustein (Chip) vorhanden ist, eingebettet ist.
