TWI767003B - 具有快速canl控制迴圈之控制器區域網路傳輸器 - Google Patents

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Abstract

一種控制器區域網路(CAN)傳輸器，其包含：一輸出級電路；該輸出級電路之一複本電路，其經組態以產生一複本信號；及一控制放大器，其經組態以控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準。

Description

具有快速CANL控制迴圈之控制器區域網路傳輸器
本發明係關於控制器區域網路(CAN)控制，且特定言之係關於具有一快速CANL控制迴圈之一CAN傳輸器。
CAN在國際標準組織(ISO) 11898規範中予以定義。ISO 11898係一系列規範，其中ISO11898-1涵蓋一資料鏈路層，而ISO 118980-2及ISO 118980-3涵蓋CAN之實體層。CAN係一穩健的通信協定。一匯流排上之一CAN節點可偵測一經接收訊息中之錯誤，且強制銷毀並重新傳輸該訊息。因此，一節點接收到的訊息含有有效資料。一CAN框架要求每一節點在該節點可處理訊息之前確認該訊息。此確認僅可在各種錯誤條件檢查(諸如對訊息之一15位元循環冗餘檢查(CRC))之後進行。若一個節點發現訊息有一錯誤，則銷毀並重新傳輸該訊息。
CAN規範定義一CAN節點所處之三種不同錯誤狀態，其中各錯誤狀態給予CAN節點以不同級別之匯流排存取。錯誤狀態限制故障節點取下CAN匯流排。
CAN包含其中CAN匯流排上之全部節點附接至共同連接而使用相同位元率之串列通信。CAN係基於訊息的而非基於位址的。因此，訊息並非基於一CAN節點之位址自一個節點傳輸至另一個節點。代替性地，一CAN節點將把其訊息廣播至匯流排上之全部節點。接收節點需要判定其是否應按該訊息行動。單一或多個節點可按相同資料行動。因此，可將新節點添加至一CAN匯流排而不必用定址資訊更新現有節點。
由於資料之可靠性，CAN容許跨一網路進行分佈式控制。此給予網路之設計者以設立消費者-生產者網路或同級間網路之靈活性。
CAN網路傳輸可使用一差動對之傳輸線CANH及CANL來執行。CAN可指定兩種邏輯狀態：隱性(recessive)及顯性(dominant)。在隱性邏輯狀態期間，CANH及CANL可近似為相同電壓或彼此在一指定電壓容限內。在顯性邏輯狀態期間，CANH及CANL可分開一電壓差VDiff。圖1繪示使用CAN之一例示性差動匯流排，其包含CANH、CANL及VDiff。
在隱性狀態(即，一CAN收發器或模組之一輸入上之邏輯「1」)中，CANH及CANL上之差動電壓小於最小臨限值(＜0.5 V接收器輸入或＜1.5 V傳輸器輸出)。在顯性狀態(即，一CAN收發器或模組之輸入上之邏輯「0」)中，VDiff大於最小臨限值。一顯性位元過驅動匯流排上之一隱性位元以達成非破壞性逐位元仲裁。
本發明之實施例包含一種CAN傳輸器。該CAN傳輸器可包含：一輸出級電路；該輸出級電路之一複本電路，其經組態以產生一複本信號；及一控制放大器，其經組態以控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準。結合上文實施例之任一者，該控制放大器可進一步經組態以控制該輸出級電路之一低側以產生該CANL輸出信號。結合上文實施例之任一者，該控制放大器可進一步經組態以不提供對該CAN傳輸器之一CANH輸出信號之控制。結合上文實施例之任一者，該控制放大器可進一步經組態以在顯性狀態及隱性狀態期間針對該CAN傳輸器之該CANL輸出信號加偏壓於電晶體。結合上文實施例之任一者，該輸出級電路可包含一CANL驅動器，該CANL驅動器包含一橫向雙擴散NMOS電晶體及一續流二極體。結合上文實施例之任一者，該複本電路可包含經組態以模型化一CAN匯流排負載之兩個電阻器。結合上文實施例之任一者，該兩個電阻器之一中心節點可連接為輸入至控制放大器。結合上文實施例之任一者，該控制放大器可進一步經組態以控制該輸出級電路之一CANL驅動器之一NMOS電晶體的一閘極電壓以將該複本信號維持在一所要位準。結合上文實施例之任一者，該複本電路可小於該輸出級電路之大小之30%。結合上文實施例之任一者，該控制放大器可進一步經組態以執行主動前饋以補償傳輸器之共模競爭(common mode game)。結合上文實施例之任一者，該CAN傳輸器可進一步包含耦合至該輸出級電路及該複本電路之傳輸器之閘極的閘極放電開關。
本發明之實施例可包含一種包含上文實施例之CAN傳輸器之任一者的系統、控制器、積體電路裝置或微控制器。
本發明之實施例可包含由上文實施例之CAN傳輸器、系統、控制器、積體電路裝置或微控制器之任一者執行之方法。
優先申請案 本申請案主張於2017年5月23日申請之美國臨時申請案第62/510,227號之優先權，特此併入該案內容之全文。
圖2係根據本發明之實施例之一例示性CAN網路100之一繪示。網路100可包含CAN節點102之任何適合數目及種類。例如，網路100可包含節點102A、102B、102C。節點102可經組態以經由一CAN匯流排116彼此通信。可用兩條線實施CAN匯流排116。例如，CAN匯流排116可包含一CANH線118及一CANL線120。
節點102可以任何適合方式實施。圖2繪示CAN節點實施方案之例示性變動。例如，可用一微控制器104實施CAN節點102A。微控制器104可藉由例如來自本發明之受讓人之一8位元、16位元或32位元PIC微控制器實施。微控制器104可能不包含一整合CAN模組。因此，CAN節點102A可能包含一單獨實施之CAN模組110A。
網路100中之CAN模組110可經組態以提供一CAN收發器112與CAN節點102之其餘者之間的一介面。CAN模組110可藉由任何適合機構實施，諸如藉由程式庫、軟體堆疊、函式、應用程式、驅動程式或由一處理器執行之指令。CAN收發器112可以任何適合方式實施，諸如藉由類比電路、數位電路、由一處理器執行之指令或其等之任何適合組合。CAN模組110可進行CAN收發器112之函式呼叫以發送且接收資料，或以其他方式實行CAN協定。CAN節點102之其他元件繼而可進行CAN模組110之函式呼叫。例如，運行於微控制器104上之軟體可藉由對CAN模組110A進行函式呼叫而與其他節點通信，CAN模組110A繼而可對CAN收發器112A進行函式呼叫。CAN收發器112A可經由CAN匯流排116自其他CAN節點102讀取資料且將資料寫入至其他CAN節點102。
CAN節點102A可包含不包含一整合CAN模組110A之微控制器104。CAN節點102B可包含包括一整合CAN模組110B之一微控制器106。CAN節點102C可實施為一CAN輸入/輸出(I/O)擴充器。CAN節點102C對CAN網路100提供I/O擴充而不具有一微控制器。CAN節點102C可包含用以發出受臨限值驅動之週期性或基於事件之訊息的週邊設備，諸如通用IO介面、A2D介面、脈衝寬度調變介面或其他介面。
在實施CAN網路100時可遇到許多挑戰。例如，CAN系統發展可能遇到電磁相容性(EMC)問題，諸如電磁干擾(EMI)或電磁環境(EME)。在CAN中，儘管存在EMI，仍必須要求差動通信才能工作。此數位通信可包含甚至在+/-12 V之一大共模範圍內之操作。此外，此數位通信可包含以高達36 dBm (40 V峰值)注入射頻(RF)功率操作。此外，CAN必須在EME(諸如高達20 MHz之高達55 dBmV (0.6 mV)共模發射、在75 MHz下之高達15 dBmV (6 mV)共模發射且呈一2 V差動信號振幅)中工作。此外，CANL及CANH電流可需要在DC及暫態兩者下皆極其準確地相互匹配。
參考圖1，一給定CAN節點可進行緩慢或快速控制以在一收發器處產生CANH或CANL信號。「快速」或「緩慢」態樣可指代一控制迴圈產生一適當顯性或隱性信號之速度。特定言之，CANH或CANL控制之「快速」或「緩慢」態樣可指代隱性狀態與顯性狀態之間或顯性狀態與隱性狀態之間的信號變化之斜率。斜率亦可指稱信號躍遷之轉換率。較快上升及下降時間可支援網路100中之較高匯流排速率及較長匯流排長度。
圖3繪示根據本發明之實施例之一CAN收發器300之一更詳細視圖。收發器300可部分實施圖2之收發器112。收發器300可自收發器之其他部分(未展示)或一CAN模組110接收一信號318。信號318可為表示待寫入至CAN網路100之值之一位元型樣的一顯性或隱性邏輯信號。可將該輸出顯性或隱性信號寫入至CANH接針308或CANL接針310。CANH接針及CANL接針310可分別連接至CANH線118及CANL線120。與其他解決方案相比，收發器300可經組態以執行用於將隱性或顯性狀態寫入至CANH接針308及CANL接針310之較快上升及下降時間。
收發器300可包含連接至信號318之一電流源320。信號318可經組態以根據經接收位元型樣驅動電流源320之輸出。電流源320可以任何適合方式實施。在一項實施例中，電流源320可為一浮動電流源。電流源320可為基於信號318之輸入的一可程式化或可調整電流源。一注入位元型樣可自電流源320提供至電流鏡中。電流鏡可包含一複本級304及一輸出級306。
在一第一級(一輸入級)中，VCC 312可連接至收發器300。接地314可連接至收發器300。VCC 312可連接至一電晶體316之源極。電晶體316可為一p型金屬氧化物半導體(PMOS)電晶體。電流源320可連接至電晶體316之汲極。電流源320可連接至另一電晶體322之源極。電晶體322可為一n型金屬氧化物半導體(NMOS)電晶體。此外，電流源320可連接至電晶體322之閘極。電晶體322之汲極可連接至接地314。
收發器300可包含一複本級304。複本級304可包含連接至VCC 312之一電晶體330。電晶體330可為一PMOS電晶體。電晶體330可在其源極處連接至VCC 312。電晶體330之閘極可連接至電晶體316之閘極。電晶體330之汲極可連接至一個二極體354。二極體354可連接至一電阻器350，電阻器350可連接至另一電阻器352。電阻器352可連接至一個二極體356。二極體356可連接至一電晶體332之源極。電晶體332之汲極可連接至接地314。二極體356、354可為續流二極體。電晶體332之閘極可連接至電晶體322之閘極。電晶體332可為一NMOS電晶體。
收發器300可包含一輸出級306。輸出級306可包含在其源極處連接至VCC 312之一電晶體338。在一項實施例中，電晶體338可為橫向雙擴散PMOS (LDPMOS)電晶體。在另一實施例中，電晶體338可為具有一LDPMOS疊接(cascode)之一PMOS電晶體。電晶體338可在其閘極處連接至電晶體330之閘極及電晶體316之閘極。電晶體338可在其汲極處連接至一個二極體340。二極體340可連接至CANH接針308。CANL接針310可連接至一個二極體342。二極體342可連接至一電晶體344之源極。電晶體344之閘極可連接至電晶體332之閘極及電晶體322之閘極。電晶體344之汲極可連接至接地314。在一項實施例中，電晶體344可為橫向雙擴散NMOS (LDNMOS)電晶體。若未使用符合CAN規範之一疊接電流鏡，則可使用此一電晶體。在另一實施例中，電晶體344可為具有一LDNMOS疊接之一PMOS電晶體。二極體340、342可為續流二極體。二極體340、342可用於ESD保護及反向保護。
在一項實施例中，收發器300可包含一控制放大器328。放大器328之輸出可連接至電晶體344之閘極。此外，放大器328之輸出可連接至電晶體322、332之閘極。放大器328可藉由例如一1級、2級或3級運算放大器實施。在另一實施例中，放大器328可自一參考分壓器302及複本級304接收輸入。例如，放大器328可自參考分壓器302接收一否定輸入且自複本級304接收一正輸入，或反之亦然。
參考分壓器302可連接至VCC 312。參考分壓器302可包含兩個電阻器324、326。電阻器326可連接至接地314。電阻器324、326之值可相同。參考分壓器302可將來自電阻器324、326之間的一節點之一參考電壓提供至放大器328。
可自電阻器350、352之間的一節點提供自複本級304至放大器328之輸入。電阻器350、352之值可相同。任何適合電阻值可用於電阻器324、326、350、352。參考分壓器302總計可為110,000歐姆。電阻器350、352可為例如一輸出CAN匯流排電阻器之六倍高。此一CAN匯流排電阻器可為例如60歐姆。
在一項實施例中，一開關334可提供於VCC 312與電晶體338、330、316之閘極之間。開關334可為選用的。在另一實施例中，一開關336可提供於接地314與電晶體344、332、322之閘極之間。開關336可為選用的，此係因為由圖3中之電晶體提供之控制可執行一等效功能。開關334、336可藉由位元型樣318驅動。硬切換可使用電流源。相比之下，開關334、336可由位元型樣318驅動。
複本級304可為輸出級306之大小或電流之一分率。該分率可為例如輸出級306之電流之1/10至1/3。在一項實施例中，可使用輸出狀態電流之1/6。複本級304可經組態以產生一複本信號。複本信號可偵測CANH電流變化及CANL電流變化中之差異。複本信號可為將經由CANH接針308及CANL接針310施加至CAN匯流排的共模信號之一估計。複本信號可提供至放大器328。放大器328繼而可經組態以將複本信號維持在一所要位準。可藉由參考分壓器302所提供之一參考電壓來表達該所要位準。特定言之，放大器328可經組態以藉由控制CANL接針310上之信號而維持複本信號。可藉由將放大器328之輸出施加至電晶體332之閘極而控制由複本級304產生之複本信號。
複本級304可實施為輸出級306之一縮減大小(諸如1%至30%)。複本級304可包含CAN網路100上之匯流排負載之一模型。此一模型可藉由例如電阻器350、352實施。電阻器350、352之中心分接頭可用於輸入或回饋至放大器328。放大器328可控制電晶體344之閘極電壓。因此，收發器300可使用主動前饋來補償且穩定化控制迴圈以產生CANL接針310信號。收發器300可使用一恆定電壓(諸如2.5 V)作為複本電壓之一目標電壓。收發器300可使用一特定比率(諸如50%)作為複本電壓之一目標比率。此可藉由參考分壓器302來實施。
收發器300可提供優於較慢CANH及CANL控制之優點。藉由使用包含圖3中展示之放大器328及其連接之一控制電路，收發器300可提供優於使用硬切換產生CANH信號及CANL信號之優點。在無硬切換之情況下，可減少高頻發射。其他解決方案可使用一切換器在CANH及CANL信號之顯性產生與隱性產生之間切換。
在CANL控制期間，可撤銷啟動緩慢CANH控制。在一項實施例中，僅可控制(使用NMOS電晶體344) CANL信號，如與藉由放大器328控制NMOS及PMOS (電晶體338)兩者相反。此可由PMOS鏡操作比NMOS鏡緩慢引起。因此，為PMOS (電晶體338)之電容之三倍低的電晶體344之NMOS電容可產生較快控制。在一項實施例中，可始終加偏壓於控制迴圈。在驅動器在作用中時可啟用快速控制。此可藉由一單獨供應電流(未展示)完成。在此一情況中，可在顯性狀態及隱性狀態兩者中加偏壓於控制迴圈。此可提供一大頻寬且準確地匹配低側電流與高側電流。
100‧‧‧控制器區域網路(CAN)網路102A‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點102B‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點102C‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點104‧‧‧微控制器110A‧‧‧控制器區域網路(CAN)模組110B‧‧‧控制器區域網路(CAN)模組112A‧‧‧控制器區域網路(CAN)收發器116‧‧‧控制器區域網路(CAN)匯流排118‧‧‧CANH線120‧‧‧CANL線300‧‧‧控制器區域網路(CAN)收發器302‧‧‧參考分壓器304‧‧‧複本級306‧‧‧輸出級308‧‧‧CANH接針310‧‧‧CANL接針312‧‧‧VCC314‧‧‧接地316‧‧‧電晶體318‧‧‧信號/位元型樣320‧‧‧電流源322‧‧‧電晶體324‧‧‧電阻器326‧‧‧電阻器328‧‧‧控制放大器330‧‧‧電晶體332‧‧‧電晶體334‧‧‧開關336‧‧‧開關338‧‧‧電晶體340‧‧‧二極體342‧‧‧二極體344‧‧‧電晶體350‧‧‧電阻器352‧‧‧電阻器354‧‧‧二極體356‧‧‧二極體
圖1係例示性CAN傳訊之一繪示。 圖2係根據本發明之實施例之一例示性CAN網路之一繪示。 圖3係根據本發明之實施例之一例示性CAN收發器之一繪示。
100‧‧‧控制器區域網路(CAN)網路
102A‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點
102B‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點
102C‧‧‧控制器區域網路(CAN)節點
104‧‧‧微控制器
110A‧‧‧控制器區域網路(CAN)模組
110B‧‧‧控制器區域網路(CAN)模組
112A‧‧‧控制器區域網路(CAN)收發器
116‧‧‧控制器區域網路(CAN)匯流排
118‧‧‧CANH線
120‧‧‧CANL線

Claims (18)

  1. 一種控制器區域網路(CAN)傳輸器，其包括：一輸出級(output stage)電路；該輸出級電路之一複本(replica)電路，其經組態以產生一複本信號；及一控制放大器，其經組態以：控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準(a desired level)；控制該輸出級電路之一低側以產生該CANL輸出信號；及不提供對該CAN傳輸器之一CANH輸出信號之控制。
  2. 如請求項1之CAN傳輸器，其中該控制放大器進一步經組態以在顯性(dominant)狀態及隱性(recessive)狀態期間針對該CAN傳輸器之該CANL輸出信號加偏壓於電晶體。
  3. 如請求項1之CAN傳輸器，其中該複本電路包含經組態以模型化一CAN匯流排負載之兩個電阻器。
  4. 如請求項3之CAN傳輸器，其中該兩個電阻器之一中心節點連接為輸入至該控制放大器。
  5. 如請求項1之CAN傳輸器，其中該控制放大器進一步經組態以控制該 輸出級電路之一CANL驅動器之一NMOS電晶體之一閘極電壓以將該複本信號維持在一所要位準。
  6. 如請求項1之CAN傳輸器，其中該複本電路小於該輸出級電路之大小之30%。
  7. 如請求項1之CAN傳輸器，其中該控制放大器進一步經組態以執行主動前饋以補償該傳輸器之共模競爭(common mode game)。
  8. 一種控制器區域網路(CAN)傳輸器，其包括：一輸出級電路；該輸出級電路之一複本電路，其經組態以產生一複本信號；及一控制放大器，其經組態以控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準；其中該輸出級電路包含一CANL驅動器，該CANL驅動器包含一橫向雙擴散(lateral double-diffused)NMOS電晶體及一續流(freewheeling)二極體。
  9. 一種控制器區域網路(CAN)傳輸器，其包括：一輸出級電路；該輸出級電路之一複本電路，其經組態以產生一複本信號；及一控制放大器，其經組態以控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準；及 閘極放電開關(gate discharge switches)，其等耦合至該輸出級電路及該複本電路之傳輸器之閘極。
  10. 一種CAN傳輸方法，其包括：自一控制器區域網路(CAN)傳輸器之一輸出級電路之一複本電路產生一複本信號；運用一控制放大器來：控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準；控制該輸出級電路之一低側以產生該CANL輸出信號；及不提供對該CAN傳輸器之一CANH輸出信號之控制。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括在顯性狀態及隱性狀態期間針對該CAN傳輸器之該CANL輸出信號加偏壓於電晶體。
  12. 如請求項10之方法，其進一步包括使用經組態以模型化一CAN匯流排負載之兩個電阻器。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括將該兩個電阻器之一中心節點連接為輸入至該控制放大器。
  14. 如請求項10之方法，其進一步包括控制該輸出級電路之一CANL驅動器之一NMOS電晶體之一閘極電壓以將該複本信號維持在一所要位準。
  15. 如請求項10之方法，其中該複本電路小於該輸出級電路之大小之30%。
  16. 如請求項10之方法，其進一步包括執行主動前饋以補償該傳輸器之共模競爭。
  17. 一種CAN傳輸方法，其包括：自一控制器區域網路(CAN)傳輸器之一輸出級電路之一複本電路產生一複本信號；運用一控制放大器，控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準；及使用一CANL驅動器來驅動輸出，該CANL驅動器包含一橫向雙擴散NMOS電晶體及一續流二極體。
  18. 一種CAN傳輸方法，其包括：自一控制器區域網路(CAN)傳輸器之一輸出級電路之一複本電路產生一複本信號；運用一控制放大器來控制該CAN傳輸器之一CANL輸出信號以將該複本信號維持在一所要位準；及操作耦合至該輸出級電路及該複本電路之傳輸器之閘極的閘極放電開關以產生輸出。
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