TWI648957B - 用於低功率區域互連網路（ｌｉｎ）接收器之多電流諧波路徑 - Google Patents

用於低功率區域互連網路（ｌｉｎ）接收器之多電流諧波路徑 Download PDF

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TWI648957B
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Abstract

本發明揭示一種區域互連網路(LIN)接收器，其包含用於休眠及沉靜模式兩者之一單一低功率結構，其中一單一比較器用於在休眠及沉靜模式兩者期間以及在主動模式期間偵測LIN發信號。在一些實施例中，使用低如5微安培之一電流來實施完整接收能力。特定言之，喚醒組塊之顯性及隱性位準與標準LIN位準之該等位準相同，固定於約3.5伏特。因此，在休眠模式期間完整LIN接收能力可用。

Description

用於低功率區域互連網路(LIN)接收器之多電流諧波路徑
本發明係關於區域互連網路(LIN)，且特定言之，係關於區域互連網路接收器。
區域互連網路(LIN)係用於在車輛中之組件之間通信之一串列網路協定。其經界定為一時間觸發的主從網路，消除對在同時報告裝置之中之仲裁之需要。其藉由使用一單線通信匯流排來實施，該單線通信匯流排減少佈線及導線需求，且因此有助於節省重量、空間及成本。
針對藉由LIN協會之車輛子網路應用之低成本實施方案而特別界定，LIN協定達成顯著成本降低，此係由於其相當簡單且經由一非同步串列介面(UART/SCI)操作，且從屬節點自同步且可使用一晶片上之RC振盪器而不是晶體或陶瓷共振器。
為了使一LIN網路中之總電流消耗維持在可接受之位準，增加一LIN網路中之從屬節點之數目需要使節點之各者之電流消耗越來越低。
LIN網路操作模式包含：具有完整接收及傳輸能力之一主動模式；一沉靜(低功率)模式，其中提供完整接收能力但不提供傳輸能力；及一休眠(電源切斷)模式，其中僅啟用喚醒能力。沉靜模式中之 電流消耗約為50微安培，而休眠模式中之電流消耗約為5微安培至10微安培。因此，僅需接收能力之一消費者需要在沉靜模式中操作，消耗50微安培。
通常，使用一所給積體電路中之不同專用組塊(bloc)來實施沉靜模式及休眠模式功能。
特定言之，「顯性」(邏輯低)及「隱性」(邏輯高)位準之LIN匯流排發信號臨限值以電池電壓之一半(Vbat/2)為中心，其中通常需要一0.1Vbat磁滯。即，隱性至顯性臨限值約為0.45*Vbat，而顯性至隱性臨限值約為0.55*Vbat。因此，需要一窗比較器來識別匯流排信號。然而，Vbat可在自6伏特至30伏特之範圍中，其需要用於一窗比較器之較寬共同模式範圍順應性。即，Vbat/2(及LIN信號)電壓可在電壓模式(即沉靜及操作)期間顯著超過一窗比較器之輸入電壓範圍。因此，匹配分壓器通常用於產生位於窗比較器之輸入電壓範圍內之Vbat/2及LIN電壓之匹配分率。
由於需要圍繞電壓模式窗比較器之顯著額外負擔(一電壓調整器、外部偏壓等)，所以在電壓模式中之LIN接收器之總體電流消耗超過在休眠模式期間之需求。因此，電壓模式LIN接收器比較器無法用作喚醒電路比較器。
為了在休眠期間節省功率，喚醒電路比較器通常比較LIN匯流排電壓與一電晶體Vt(臨限值電壓)或電晶體Vt之總和。此導致一非常簡單及低功率電路，但另一方面，其亦需要一恆定偵測位準，該位準在3.5伏特至4伏特之範圍內，而不是標準一半電池電壓Vbat/2。因此，喚醒電路無法用於接收匯流排資料。
先前技術中之此等及其他缺點大部分由根據本發明之實施例之一系統及方法克服。
根據一些實施例之一LIN接收器包含用於休眠及沉靜模式兩者之一單一低功率結構，其中一單一比較器用於在休眠及沉靜模式兩者期間以及在主動模式期間偵測LIN發信號。在一些實施例中，使用低於10微安培且低如5微安培之一電流來實施完整接收能力。特定言之，此接收器(當用作喚醒組塊時)之顯性及隱性位準與標準LIN位準之該等位準相同，為一半電池電壓(Vbat/2)，而不是固定於基本喚醒接收器的約3.5伏特至4伏特。因此，完整LIN接收能力在休眠模式期間可用。
根據實施例之一區域互連網路接收器包含：一電池電壓輸入；自一區域互連網路(LIN)匯流排之一輸入；及一電流鏡，其經組態以反映由耦合至一感測電阻器中之電池電壓輸入之一參考電阻器界定之一電流，使得在感測電阻器之一輸出點處之一電壓界定在沉靜及休眠模式中之LIN匯流排之顯性及隱性狀態。根據實施例之一區域互連網路(LIN)接收器包含經組態以在主動、沉靜及休眠模式期間偵測一LIN匯流排之顯性及隱性狀態之一共同電路。在一些實施例中，共同電路包含一電流鏡，其經組態以反映由耦合至一感測電阻器中之一電池電壓輸入之一參考電阻器界定之一電流，使得在感測電阻器之一輸出點處之一電壓界定LIN匯流排之顯性及隱性狀態。
根據實施例之一種方法包含：在一休眠模式中操作一區域互連網路(LIN)接收器；在一沉靜模式中操作LIN接收器；其中在休眠模式中操作及在沉靜/主動模式中操作包括使用一共同電路來偵測一LIN匯流排之顯性及隱性狀態。在一些實施例中，共同電路包含一電流鏡，其經組態以反映由耦合至一感測電阻器中之一電池電壓輸入之一參考電阻器界定之一電流，使得在感測電阻器之一輸出點處之一電壓界定LIN匯流排之顯性及隱性狀態。
100‧‧‧區域互連網路(LIN)接收器輸入電路
100a‧‧‧電流鏡輸入
200‧‧‧接收器
202‧‧‧數位輸出緩衝器
203‧‧‧接收器
204‧‧‧低通濾波器
205‧‧‧接收器
206‧‧‧反相器
300‧‧‧電路
302‧‧‧比較器
304‧‧‧電源
600‧‧‧接收器
C1‧‧‧電容器
C2‧‧‧低通濾波電容器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
inv1‧‧‧反相器
M0‧‧‧增益補償二極體連接之MOS/二極體連接之MOSFET/電晶體
M1‧‧‧二極體連接之MOSFET
M2‧‧‧電晶體
M3‧‧‧電晶體
M4‧‧‧POMS裝置
M20‧‧‧電晶體
M21‧‧‧電晶體
M22‧‧‧開關/磁滯監測開關
MN0‧‧‧參考電流鏡
MN1‧‧‧參考電流鏡
MN2‧‧‧鏡
MN3‧‧‧鏡
MN4‧‧‧電晶體
MN5‧‧‧電晶體
MP0‧‧‧補償二極體
MP1‧‧‧鏡/電流鏡
MP2‧‧‧鏡/電流鏡
N1‧‧‧電晶體
N2‧‧‧電晶體
N3‧‧‧電晶體
N4‧‧‧電晶體
N6‧‧‧電晶體/反相器
N8‧‧‧電晶體
P0‧‧‧電晶體
P5‧‧‧電晶體/反相器
P7‧‧‧電晶體
R0‧‧‧參考電阻器
R1‧‧‧感測電阻器
R10‧‧‧元件
R11‧‧‧元件
R12‧‧‧元件
RX‧‧‧冷點/節點
RX_LP‧‧‧節點
Rxn‧‧‧節點
z‧‧‧緩衝器之輸出
zn‧‧‧反相輸出
熟悉此項技術者可藉由參考附圖而更充分理解本發明及明白其之許多目標、特徵及優點。不同圖式中之相同參考符號之使用指代類似或相同項。
圖1係繪示例示性電路操作之一圖式。
圖2A至圖2C係繪示根據各種實施例之例示性接收器200、201及203之圖式。
圖3係繪示根據實施例之一例示性接收器之一圖式。
圖4係繪示根據實施例之一例示性電源及比較器電路之一圖式。
圖5係繪示根據實施例之一例示性接收器之一圖式。
圖6係繪示根據實施例之一例示性接收器之一圖式。
圖7係繪示根據實施例之一例示性電路之一圖式。
參考附圖中所繪示及以下描述中詳述之例示性(且因此非限制性)實施例來更完整解釋本發明及其之各種特徵及優點細節。可忽略已知程式化技術、電腦軟體、硬體、操作平台及協定之描述，以便無需在細節上致使本發明不清楚。然而應瞭解，當指示較佳實施例時，僅經由繪示且不經由限制而給出詳細描述及特定實例。熟悉此項技術者將自本發明明白潛藏之發明概念之精神及/或範疇內之各種替代、修改、添加及/或重新配置。
如文中所使用，術語「包括」、「包含」、「具有」、或其之任何其他變動意欲涵蓋一非排他包含。例如，包括所列元件之一程序、產品、物品或設備無需僅限於該等元件，但可包含此等程序、產品、物品或設備未清楚列出或固有之其他元件。此外，除非明文規定相反的事物，「或」係指一包含或，且不是指一互斥或。例如，由以下之任何一者而滿足一條件A或B：A為真(或存在)且B為假(或不存在)、A為假(或不存在)且B為真(或存在)、及A及B兩者都為真(或存在)。
另外，文中給出的任意實例或闡釋不應視為是對與其等一起使 用之任意項或諸項之任何方式的約束、限制，或明確限定。代替性地，此等實例或闡釋待被視為參考一特定實施例而描述且僅被描述為繪示性的。一般技術者將瞭解，與此等實例或闡釋一起使用之任意項或諸項包括其他實施例以及其等之實施方案及改編，其等可(或不可)隨之給出或在說明書中之別處給出，且全部此等實施例意欲包含於該項或諸項之範疇內。指定此等非限制實施例及闡釋之語言包含(但不限於)：「例如」、「比如」、「如」、「在一實施例中」及其類似者。
如上文所提及，典型LIN接收電路需要用於沉靜/主動模式及休眠模式信號偵測/功能之單獨電路。如將在下文更詳細討論，根據一些實施例之一LIN接收器包含用於休眠及沉靜兩者/主動模式之一單一低功率結構。特定言之，針對喚醒組塊之顯性及隱性位準與標準LIN位準之該等位準相同，固定於一半電池電壓(Vbat/2)處。因此，完整LIN接收能力在休眠模式期間可用。即，提供滿足在一小型結構中之休眠及沉靜/主動模式操作之全部LIN需求之一單一電路。
現在轉向圖1，展示繪示一LIN接收器輸入電路100之一實施例之操作之一圖式。如將在下文更詳細解釋，透過鏡像比率來實施磁滯。一參考電阻器R0耦合在Vbat與接地(GND)之間。具有參考電阻器之一半值(R0/2)之一感測電阻器R1經耦合至LIN。參考電阻器中之電流為Vbat/R0。在感測電阻器中反映此電流，包含Vbat/2之一電壓降。量測在感測電阻器之冷點處之電壓(Vrxd)。
根據LIN規範，當Vlin大於Vbat/2時，LIN匯流排係隱性的，而若Vlin小於Vbat/2，則LIN匯流排係顯性的。由於Vrxd=Vlin-Vbat/2，所以當Vrxd為正時，LIN匯流排係隱性的，而當Vrxd為負時，LIN匯流排係顯性的。
在圖2A中展示根據實施例之一例示性接收器200之一簡化圖。更特定言之，電路包含：一電流鏡輸入100a(類似於圖1之電流鏡輸 入)、包含電阻器R2及電容器C2之一低通濾波器204及一數位輸出緩衝器202。電流鏡電路100a包含在參考電阻器R0與Vbat之間耦合之一增益補償二極體連接之MOS M0。由於跨二極體連接之MOSFET M0、M1之各者之電壓係Vt，所以跨R0之電壓係Vbat-2Vt，且電流係(Vbat-2Vt)/R0。接著，跨感測電阻器R1之電壓降係Vbat/2-Vt。感測電阻器R1之冷點RX透過鏡像輸出而驅動，且經連接至低通濾波器204之輸入。數位輸出緩衝器202由等於2Vt之一數位電壓供應，如將在下文更詳細討論。因此，其之輸入臨限值係Vt。因此，當Vlin大於Vbat/2時，Vrx大於Vt且Rxd=1(隱性)。當Vlin小於Vbat/2時，Vrx小於Vt且Rxd=0(顯性)。
可藉由將電流鏡之固定鏡像比率改變成一RX位準依賴比率(如圖2B中所示)而達成一x*Vbat磁滯。圖2A之M2電晶體被分成兩個電晶體M20及M21，以分別提供(1-x)及2x之一鏡像比率，且添加一開關M22與M21串聯。開關M22透過由RX輸出rxd控制之一反相器206而驅動。
當RX輸出係隱性(高)時，反相器206之輸出較低且M22開關關閉。因此，R1上之電壓降係其之標稱值之(1-x)，且臨限值變為(1-x)*Vbat/2+x*Vt，即近似(1-x)*Vbat/2，此係由於Vt比Vbat小。只要Lbus(LIN)降至(1-x)*Vbat/2以下，則RX輸出變低，反相器206之輸出升高且M22「開通」。因此，臨限值變為(1+x)*Vbat/2+x*Vt，即近似(1+x)*Vbat/2，此係由於Vt比Vbat小。此產生x*Vbat磁滯。為了產生典型10% Vbat磁滯，因此x被設為0.1。即，隱性至顯性臨限值約為0.45*Vbat，而顯性至隱性臨限值約為0.55*Vbat。
應注意，儘管已繪示一特定低通濾波技術(低通濾波器204)，然可採用諸多低通濾波技術。例如，可採用圖2C中所示之主動濾波。在繪示之接收器203之實例中，低通濾波電容器C2之冷點(圖2A)可經連接至緩衝器202之z輸出。在其他實施例中，C1冷點可代以被連接至緩衝器202之z輸出。其他組態係可能的。
參考圖3展示根據實施例之一接收器電路之另一實例。特定言之，電路300更詳細繪示數位輸出緩衝器202。大體上類似於圖2A之電路200，電路300包含一電晶體M3，其將一電流Ibias供應至電源304，此產生2Vt偏壓電壓Dvdd。比較器302接收低通濾波器204之輸出RX_LP，且具有一臨限值Vt。
在圖4中更詳細展示Vdd電源及比較器。如所示，電源304包含電晶體P0及N1-N4，而比較器包含電晶體P5、P7、N6及N8。Vdd在電晶體N2處接收輸入電流Ibias及在電晶體N3處接收電池電壓Vbat。P0及N1電晶體產生對應於跨圖2A至圖2C及圖3之M0電晶體之Vt之2Vt偏壓電壓。N3在其之源極處提供此電壓之一緩衝複本。N2提供N3之閘極電壓，而反映N1電流之N4提供N3所需之偏壓電流Ibias。P5至N6及P7至N8電晶體作為兩個反相器而操作以作為具有一臨限值Vt(1/2 * 2Vt)之一比較器而串聯操作。P5至N6反相器之輸出節點可用作用於驅動磁滯監測開關M22(圖2B)之反相輸出zn。
以上所描述之實施例提供用於偵測匯流排位準(隱性或顯性)之一簡單且有效率的方式。然而，此可額外需要考量節點RX處之電壓擺動。在圖2A至圖2C及圖3中所描述之結構之情況下，節點RX及RX_LP(圖3)處之電壓將在自一顯性匯流排位準期間之接近0(gnd)至匯流排上之一隱性位準期間之接近Vbat/2之範圍內。此可超過在諸多應用中使用較低電壓(LV)裝置之數位緩衝器202之安全輸入操作範圍。因此，一些實施例提供在節點RX處之一鉗位網路。在圖5中展示實施一例示性箝位器之根據實施例之一接收器電路。應注意，可提供其他箝位網路。
如圖5中所示，使用其之汲極連接至地面、其之閘極連接至Dvdd電源(=2Vt)且其之源極連接至RX之一M4 PMOS裝置。使用M4，節點RX上之電壓現在限於正側之3Vt，且其限於負側之-Uj(其中Uj係一結 電壓)。使用M4，節點RX之最大擺動範圍因此限於(+3Vt,-Uj)範圍內。由於在諸多實施方案中Vt電壓幾乎等於Uj，所以此範圍可經重寫為(+3Vt,-Vt)。因此，此範圍幾乎以等於Vt之接收器臨限值為中心。 如所示，箝位引致相比於接收器臨限值之一對稱行為，且因此當HF干擾疊加至原始匯流排信號時，防止接收器特性之較強退化。然而，可保持一輕微退化。因此，可需要預濾波。在圖5之接收器205中展示用於達成此預濾波之一簡單方式。現將電阻器R1=Rref/2分成Rref/6之三個串列元件(R10、R11及R12)，保持其之總值等於Rref/2。另外，兩個電容器C3及C4經連接至所產生之中間點以實施此預濾波功能。
應注意，在以上描述中，不具有磁滯之電流鏡比率被設為1(Isense=Iref)且Rsense/Rref比率被設為½。即，Rsense*Isense等於0.5* Rref*Iref以使得跨感測電阻器之電壓降等於跨參考電阻器之一半電壓。因此，可使用任何電流鏡Isense/Iref比率。所需滿足之唯一條件係使得Rref/Rsense=2 * Isense/Iref(或Isense/Iref=0.5 * Rref/Rsense)，其中Isense/Iref係不具有磁滯之鏡像比率。
可需要高壓(HV)電容器用於預濾波網路。通常HV電容器具有較差箔電容，且可需要明顯大於Rsense(R10+R11+R12)面積之佈局面積用以滿足預濾波網路之所需RC時間常數。因此，在一些實施例中，基於哪一個值將提供用於預濾波區段之最小總體佈局面積而判定Rsense值及HV電容器值。接著，可使用來以下方程式來判定電流鏡增益(G)：G=Isense/Iref=0.5* Rref/Rsense(不具有磁滯)。
圖6展示基於上文所描述之各種技術之一簡單的非常低功率之LIN接收器600之一示意圖。
應注意，在此接收器之輸出處可用之rxd信號之較高位準等於2Vt，其可為一非常低位準而難以由剩餘整個收發器電路(未展示)來處 理。因此，在諸多應用中，其將被應用於一位準偏移器，該位準偏移器將轉換rxd信號之位準直到用於由剩餘收發器電路來處理的所需位準。用於將信號位準偏移向上之技術為吾人所熟知，且因此不在此處描述。
在一些實施例中，可使用一雙鏡像電流模式方法，而不是一箝位器。在圖7中展示此一電路。基於補償二極體MP0、參考電阻器R0及參考電流鏡MN0、MN1之感測Vbat區段不變。然而，現將感測電阻器R1連接至一LIN MN3、MN2鏡之輸入。MN1輸出參考電流在一MP1、MP2鏡中反映，且與LIN電流鏡輸出(MN2輸出電流)加總，產生一電流比較器。電流比較器具有一反相輸出。因此，提供反相器inv1以恢復Rxd接收信號之正確極性。在所繪示之實施例中，假定全部電流鏡比率為1，且由數位Dvdd電源電壓供應MP1/MP2電流鏡，但可使用任何其他電源電壓。
在操作中，當LIN匯流排電壓大於Vbat/2(隱性)時，感測電阻器R1中之電流大於參考電阻器R0中之電流。因此，MN2電流大於MP2電流，且Rxn節點較低。一旦經反相，則Rxd輸出較高，反映LIN匯流排上之一隱性位準。當LIN匯流排電壓小於Vbat/2(顯性)時，LIN感測電流低於參考電流。因此，MN2電流低於MP2電流，且Rxn節點較高。一旦經反相，則Rxd輸出較低，反映匯流排上之一顯性位準。使用此方法，可透過額外MN4及MN5電晶體(虛線)而提供電池及匯流排電壓資訊。
如上文所提及，在圖7之實施例中，為簡單起見可將不具有磁滯之鏡比率設定為1。在一些實施例中，該等比率可不等於1。在沒有磁滯之情況下，應用規則係增益(MN2/MN3)=2*R1/R0 *增益(MN1/MN0)*增益(MP2/MP1)，以便使得跨感測電阻器R1之電壓降等於跨參考電阻器R0之電壓之一半。
儘管以上說明書描述特定實施例，然已參考此描述之一般技術者將明白文中所揭示之實施例及額外實施例之細節之許多變化，且可做出此等變化。在此內文中，說明書及圖示被視為具繪示性而非限制性意義，且全部此等修改意欲包含於本發明之範疇內。據此，應由以下申請專利範圍及其等之合法等效物而判定本發明之範疇。

Claims (17)

  1. 一種區域互連網路接收器，其包括：一電池電壓輸入；自一區域互連網路(LIN)匯流排之一輸入；及一電流鏡，其經組態以將由耦合至該電池電壓輸入之配置於該電流鏡之一第一分支中之一參考電阻器界定之一電流反映(mirror)至與來自該區域互連網路匯流排之該輸入耦合之配置於該電流鏡之一第二分支中之一感測電阻器中，其中在該第二分支中之該感測電阻器之一輸出點處之一電壓界定在主動、沉靜及休眠模式中之該LIN匯流排之顯性及隱性狀態。
  2. 如請求項1之區域互連網路接收器，其中該電流鏡之該第一分支包含在該電池電壓輸入與該參考電阻器之間連接之一二極體。
  3. 如請求項1之區域互連網路接收器，其中該感測電阻器具有該參考電阻器之一半值。
  4. 如請求項2之區域互連網路接收器，其包含在該感測電阻器之該輸出點處耦合之一低通濾波器。
  5. 如請求項3之區域互連網路接收器，其中該感測電阻器包括一單一電阻器。
  6. 如請求項3之區域互連網路接收器，其中該感測電阻器包括複數個電阻器。
  7. 如請求項6之區域互連網路接收器，其進一步包含在該等電阻器之間之中間連接點處之複數個電容器。
  8. 如請求項4之區域互連網路接收器，其進一步包括用於補償該低通濾波器之一輸入處之電壓擺動之電路。
  9. 如請求項8之區域互連網路接收器，其中用於補償電壓擺動之該 電路包括一箝位網路。
  10. 如請求項8之區域互連網路接收器，其中用於補償電壓擺動之該電路包括雙鏡像共同模式電路。
  11. 如請求項4之區域互連網路接收器，其包含耦合至該低通濾波器，且具有對應於跨該二極體之一電壓降之一輸入臨限值之一輸出緩衝器。
  12. 如請求項11之區域互連網路接收器，其中該二極體係一二極體連接之MOS電晶體。
  13. 如請求項1之區域互連網路接收器，其中在休眠及沉靜模式兩者處之功率消耗實質上相似。
  14. 如請求項1之區域互連網路接收器，該電流鏡藉由可切換地選擇不同鏡像比率而實施磁滯。
  15. 一種用於操作根據請求項1-14之任一項之區域互連網路(LIN)接收器之方法，其包括：在一休眠模式中操作一區域互連網路(LIN)接收器；在一沉靜模式中操作該LIN接收器；在一主動模式中操作該LIN接收器；其中在該休眠模式中操作及在該沉靜模式及主動模式中操作包括使用該LIN接收器來偵測一LIN匯流排之顯性及隱性狀態。
  16. 如請求項15之方法，其中在休眠模式期間之電流消耗與一電池電壓成比例。
  17. 如請求項15之方法，該電流鏡藉由可切換地選擇不同鏡像比率而實施磁滯。
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