用于总线系统的用户站和用于在用户站的电磁兼容性的范围内提高抗扰度的方法与流程

本发明涉及一种用于总线系统的用户站和一种用于在用户站的电磁兼容性的范围内提高抗扰度的方法，以满足总线系统对信号平衡的要求。

背景技术：

例如在车辆中在用于通信的设备的联网中使用CAN总线系统，并且CAN总线系统由于其并行的拓扑结构而非常好地适用于多种另外的通信应用。在CAN总线系统中，利用CAN协议传递消息，如所述CAN协议在ISO11898中的CAN规范中所描述的那样。

现在，总是更频繁地需要使用CAN总线系统，在所述CAN总线系统中能够比在诸如CAN-HS、CAN-FD等等的CAN中实现更高的时钟并且因此更高的数据传递速率。在CAN-HS总线系统（HS=高速=Highspeed）中，直至每秒500kBit（500kbps）的数据传递速率是可以的。在CAN-FD总线系统中，大于每秒1MBit（1Mbps）、2Mbps、4Mbps和必要时更高的数据传递速率是可以的。在CAN-FD中，根据规范“具有灵活的数据速率的CAN，规范版本1.0（CAN with Flexible Data-Rate，Specification Version 1.0）”（来源http://www.semiconductors.bosch.de）传递消息。

即使通过引入CAN-HS和CAN-FD实现现有的控制设备和车辆平台到较高数据速率的迁移，然而，当应该利用CAN收发器不仅实施常规的CAN-HS运行而且实施CAN-FD运行时，存在着问题。

即，现在，CAN收发器的所有参数固定地设计。CAN收发器也被称作CAN发送/接收装置。通过CAN收发器的那时所选择的设计或者尺寸确定必须承受所有达成协定的要求。这样的要求除了功能性参数的保持之外，例如是满足以下方面的要求：

- 辐射，

- 直接功率注入（Direct Power Injection，DPI），这是一种用于在电磁兼容性的范围内测量抗扰度的方法，和

- 静电放电（ESD=Electrostatic Discharge）。

在CAN总线系统中，总线上的信号包括两种信号CAN_H和CAN_L，所述两种信号理想地反相地运动，使得两条信号导线的电场和磁场抵消。在一种测试（其中检验是否满足在直接功率注入（DPI）方面的要求）、所谓的DPI测试中，在CAN总线上传递的信号仅仅允许偏移200ns。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是提供一种用于总线系统的用户站和一种解决之前所提到的问题的方法。尤其要提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，其中提供所传递的信号的大的抗扰度并且两种反相的总线信号的信号偏移特别是仅仅最大出现在DPI测试的预先给定的界限内。

该任务通过根据专利权利要求1所述的用于总线系统的用户站解决。所述用户站包括用于通过总线系统向总线系统的另外的用户站发送消息的发送装置，其中至少暂时地确保一个用户站对总线系统的总线的单独的、无冲突的访问，并且所述用户站包括开关装置，该开关装置用于，当检测到在由发送装置所发送的消息上的HF信号分量并且对发送装置实施用于在电磁兼容性的范围内测量抗扰度的方法时，关断发送装置的电流限制功能。

利用用户站不但可以实施常规的CAN-HS运行而且可以实施CAN-FD运行，即使用户站的CAN收发器的所有参数固定地设计。防止：发生在CAN_L和CAN_H上的电压的中间值的偏移并且因此发生通信的干扰，使得可以遵循尤其用于用户站的DPI测试的要求。

此外，利用用户站，总线系统的CAN_H和CAN_L中的电流的非常好的控制是静态的并且在从主导到消隐状态切换并且反向切换时的开关边沿期间是可以的。

因此，用户站具有在入射干扰时的高的免疫力，这可以通过DPI测试（DPI=Direct Power Injection（直接功率注入）=直接能量辐入）或者BCI测试（BCI=Bulk Current Injection（大电流注入）=到线路束中的电流压入）证实。

用户站的另一个优点在于，能够在没有共模扼流圈的情况下运行。

在从属专利权利要求中说明用户站的另外的有利的构型。

例如开关装置可以具有：第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管与用于总线系统的信号CAN_L的输出电流镜并行连接并且不具有电流限制功能，所述第二晶体管与用于总线系统的信号CAN_H的输出电流镜并行连接并且不具有电流限制功能。

可能地，开关装置被构型用于在信号CAN_L、CAN_H的消隐向主导的开关边沿经过之后接通第一和第二晶体管并且在信号CAN_L、CAN_H的主导向消隐的开关边沿开始之前关断第一和第二晶体管，或者开关装置被构型用于在信号CAN_L、CAN_H的消隐向主导的开关边沿处接通第一和第二晶体管并且在信号CAN_L、CAN_H的主导向消隐的开关边沿处关断第一和第二晶体管。

也可以的是，为了关断发送装置的电流限制功能，构型开关装置，使得信号CAN_L、CAN_H的边沿时间不变化。

发送装置可以具有用于在总线系统中平衡开关边沿的边沿控制装置，其中所述边沿控制装置具有用于产生在总线系统的总线上的额定电压变化的元件和用于向总线传递所产生的额定电压变化的电流镜，其中用于产生额定电压变化的元件包括密勒电容器，该密勒电容器在一侧上连接到PMOS晶体管上并且在另外的侧上连接到电阻上，和/或其中用于产生额定电压变化的元件包括两个电流源，所述电流源连接到PMOS晶体管上。

可以的是，边沿控制装置包括两个电流源、密勒电容器、PMOS晶体管和电阻，并且其中两个电流源和密勒电容器连接在PMOS晶体管的栅极上。

电流镜可以通过MOS高电压晶体管与总线连接。

此外，发送装置可以具有反极性保护二极管以用于针对总线系统中主导的电平的电位保护电路和针对信号CAN_L保护反极性保护二极管。

之前所说明的用户站可以是总线系统的部分，该总线系统具有总线和至少两个用户站，所述用户站通过总线相互连接，使得所述用户站能够相互通信，其中至少两个用户站中的至少一个为之前所说明的用户站中的一个。

此外，之前所提到的任务通过根据专利权利要求10所述的用于在用户站的电磁兼容性的范围内提高抗扰度的方法来解决。在该方法中，发送装置通过总线系统向总线系统的另外的用户站发送消息，其中至少暂时确保一个用户站对总线系统的总线的单独的、无冲突的访问，并且其中当检测到由发送装置发送的消息上的HF信号分量并且对发送装置实施用于在电磁兼容性的范围内测量抗扰度的方法时，开关装置关断发送装置的电流限制功能。

所述方法提供与之前在用户站方面所提及的优点相同的优点。

本发明的另外的可能的实现也包括之前或者以下关于实施例所说明的特征或者实施方式的未明确地提及的组合。在此，专业人员也添加单个方面作为对本发明的相应的基本形式的改进或者补充。

附图说明

以下参照附图并且根据实施例详细地说明本发明。其中：

图1 示出根据第一实施例的总线系统的简化的方框电路图；

图2 示出在根据第一实施例的总线系统中的总线信号在时间上的额定电压变化；和

图3 示出根据第一实施例的总线系统的用户站的信号平衡装置的电路图；

在附图中，只要没有另作说明，相同或者功能相同的元件配备有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出总线系统1，该总线系统例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等等。总线系统1可以使用在车辆、尤其机动车、飞机等等中或者使用在医院等等中。

在图1中，总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站分别连接到具有第一总线导线41和第二总线导线42的总线40上。总线导线41、42也可以被称作CAN_H和CAN_L并且用于在发送状态下耦合输入主导的电平。通过总线40，消息45、46、47可以以信号形式在各个用户站10、20、30之间传递。用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。

如在图1中所示，用户站10、30分别具有通信控制装置11、发送装置12、接收装置13和检测装置14。而用户站20具有通信控制装置1、检测装置14和发送/接收装置15。用户站10、30的发送装置12、接收装置13和用户站20的发送/接收装置15分别直接连接到总线40上，即使这在图1中未示出。

通信控制装置11用于控制相应的用户站10、20、30通过总线40与连接到总线40上的用户站10、20、30中的另外的用户站进行通信。发送装置12用于发送信号形式的消息45、47，其中减少在总线系统1中的导线相关的辐射，使得满足总线系统1对信号平衡的要求，如稍后还更详尽地说明那样。检测装置14用于检测在消息45、46、47的信号上的非常示意性地示出的高频分量或者HF分量5，所述信号为低频的。通信控制装置11可以如常规的CAN控制器那样实施。接收装置13在其接收功能性方面可以如常规的CAN收发器那样实施。发送/接收装置15可以如常规的CAN收发器那样实施。

图2示出在时间t上具有开关边沿51、52的电压变化曲线U，如该电压变化曲线由发送装置12产生，所述发送装置在图3中更详细地示出。开关边沿51相应于信号从主导的状态53到消隐的状态54的过渡。开关边沿52相应于信号从消隐的状态54到主导的状态53的过渡。所示出的电压变化曲线具有开关边沿51、52，如要由发送装置12产生的额定电压变化那样。

因此，根据图2，在消息45、46、47（图1）以信号的形式在总线40（图1）上传递时，根据要传递的数据，在高和低的信号状态之间切换或者相反地切换，其中高的信号状态也被称作主导状态，并且低的信号状态也被称作消隐状态。

如从图2中可见，CAN总线为具有两个反相的信号CAN_H和CAN_L的差分的总线系统，在信号平衡方面对所述反相的信号提出高的要求。在这里适用的是，信号平衡越好，则在用户站、诸如汽车收音机处的干扰反射和干扰就越小。因此，控制反相的信号CAN_H和CAN_L，使得其中间值尽可能少地偏离中间电压VCC5/2=2.5V。

在DPI测试（DPI=Direct Power Injection（直接功率注入）=直接能量辐入）时，实施用于在电磁兼容性（EMV）的范围内测量抗扰度的方法。如果信号CAN_L和CAN_H偏移多于200ns，则DPI测试得出：存在偏差。所述偏差不能够通过信号CAN_L和CAN_H的较大的边沿陡度或信号CAN_L和CAN_H从消隐向主导或者从主导到消隐的较快的开关边沿来消除。因此，在该实施例中，实施发送装置12，如在图3中示出。

根据图3，发送装置12包括借助于密勒电容器121和电流源122仿制的边沿控制装置120、几乎无延迟的电流镜130、输出电流镜CAN_H 140和输出电流镜CAN_L 145。

除了密勒电容器121和电流源122之外，边沿控制装置120还包括开关元件123和PMOS晶体管124。密勒电容器121连接在PMOS晶体管124的栅极上。此外，电流源122通过开关元件123连接在PMOS晶体管124的栅极上。密勒电容器121在其另外的侧上与PMOS晶体管124的漏极连接。电阻125将PMOS晶体管124的漏极上产生的电压斜坡变换为用于电流镜131的输入端的电流信号。在此，电阻124预先给定在总线导线41（CAN_H）和总线导线42（CAN_L）中的最大的短路电流。

此外，除了NMOS电流库（Strombank）131之外，电流镜130包括NMOS高电压共源共栅放大器132，所述NMOS高电压共源共栅放大器以下也称作NMOS-HV共源共栅放大器132，并且电流镜130包括用于低电压（low voltage）的PMOS电流镜133。NMOS-HV共源共栅放大器132与输出电流镜140连接。PMOS电流镜133与输出电流镜145连接。输出电流镜CAN_H 140为用于CAN_H输出电流产生的低电压（low voltage）的PMOS电流镜。输出电流镜CAN_L 145为用于CAN_L输出电流产生的低电压（low voltage）的NMOS电流镜。

PMOS高电压共源共栅放大器141连接到输出电流镜CAN_H 140上，所述PMOS高电压共源共栅放大器以下也称作PMOS-HV共源共栅放大器141。对于“CAN_H相对-27V短路”的故障情况，需要PMOS-HV共源共栅放大器141。此外，用于保护电路以防CAN_H的正的过电压的反极性保护二极管142连接到输出电流镜CAN_H 140上。相对于反极性保护二极管142后方的正的电压供应为负的电位ch_n被施加到PMOS-HV共源共栅放大器141上。

NMOS高电压共源共栅放大器146连接到输出电流镜CAN_L 145上，所述NMOS高电压共源共栅放大器146以下也称作NMOS-HV共源共栅放大器146。对于“CAN_L相对40V短路”的故障情况，需要NMOS-HV共源共栅放大器146。此外，反极性保护二极管147连接到输出电流镜CAN_L 145上。在“CAN_L相对-27V短路”的故障情况下，需要反极性保护二极管147。相对于地正的电位ch_p被施加到NMOS-HV共源共栅放大器146上。

具有总线导线41、42的总线40连接在PMOS-HV共源共栅放大器141和反极性保护二极管147之间，用电阻143隔绝所述总线导线。因此，电阻143具有与总线40的特性阻抗相等的电阻，因此在总线40上不发生反射。在这里，总线导线41用于信号CAN_H的传递并且总线导线42用于信号CAN_L的传递。

之前所说明的电路在电阻143方面强烈地简化。在现实中，在总线导线41、42的每个导线端部上分别存在用于隔绝的两个串行地连接的60Ω电阻。相应的中点固定在2.5V上。

在图3的发送装置12中，在总线40上的额定电压变化在内部借助于复制元件产生并且然后通过电流镜140，145传递到总线40，所述复制元件包括密勒电容器121、电流源122、PMOS晶体管124和电阻125。通过密勒电容器121、电流源122、PMOS晶体管124和电阻125实现边沿控制。电流镜133、140、145利用在布局中相同构造的MOS低电压晶体管构成，以便获得在图3中所示出的电路的CAN_H和CAN_L分支中相同的信号延迟以及相同的饱和特性。

即，利用边沿控制装置120实施用于降低在总线系统1中的导线相关的辐射的方法。在这里，为了平衡在总线系统1中的开关边沿，边沿控制装置120利用用于产生额定电压变化的元件产生在总线40上的额定电压变化并且将其通过电流镜130传递到总线40。

借助于共源共栅放大器级、即共源共栅放大器132、141、146实现所需要的耐压强度，所述共源共栅放大器级由MOS高电压晶体管构成。

如从图3可见，边沿控制装置120的电路在很大程度上与总线40分开，所述总线由总线导线41、42和电阻143代表。这种优点由共源共栅放大器晶体管、即共源共栅放大器132、141、146实现。借此防止如边沿控制装置120这样的敏感的部件如由于DPI、BCI等等而受到入射的干扰。已知的整流效应和存储效应属于过去。

因此，通过边沿控制装置120，在总线40上的开关过程期间、即从消隐向主导或者反向的开关过程期间在CAN_H和CAN_L上存在相等的电流。由此，在CAN_H、即总线导线41和CAN_L、即总线导线42上的内电阻相等的情况下具有理想的或者近乎理想的开关过程。电流源122、PMOS晶体管124上的密勒电容器121和电阻125与结合总线40的开关特性相协调，使得只出现小的共模干扰。

此外，在图3中输出晶体管或者第一晶体管1400与输出电流镜CAN_H 140并行连接。输出晶体管或者第二晶体管1450与输出电流镜CAN_L 145并行连接。第一和第二晶体管1400、1450分别不具有电流限制功能，其中在实践中，第一和第二晶体管1400、1450的最大的电流由规范“对在汽车应用中的LIN CAN和FlexRay接口的（OEM）硬件要求（（OEM） Hardware Requirements for LIN CAN and FlexRay Interfaces in Automotive Applications）”，2012-05-04的1.3版多次给出，并且可从德国车辆制造商奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷、大众援引，在所述规范中说明在汽车应用中对用于OEM的LIN接口、CAN接口和FlexRay接口的硬件要求（OEM=Original Equipment Manufacturer=原始设备制造商）。第一和第二晶体管1400、1450被简化示出的、具有多个用于满足DPI测试的要求的晶体管的控制电路150控制，如以下说明的那样。控制电路150的晶体管为没有电流限制的开关。晶体管1400、1450和控制电路150构成用于开关输出电流镜CAN_H 140和CAN_L 145的电流限制的开关装置。

在CAN总线中，信号CAN_L和CAN_H的边沿陡度或边沿时间具有大约<100ns的值。高频入射保持得小，因为由于反相的信号CAN_L和CAN_H而存在着对称的系统。然而，如果用户站10、30的图1的检测装置14在DPI测试期间检测到高频的干扰辐射，则如下地采取措施。

用于信号CAN_L和CAN_H的所发送的脉冲的公差窗口为200ns并且因此是信号CAN_L和CAN_H的边沿时间的两倍长。这被充分利用，以便在信号CAN_L和CAN_H的额定边沿的最后闭合利用晶体管1400、1450（图2）实现的开关或在信号CAN_L和CAN_H的额定边沿之前打开利用晶体管1400、1450实现的开关。

以此方式，利用第一和第二晶体管1400、1450和控制电路150防止，在发送装置12中在DPI测试期间，比在正的方向上的电流限制允许的更多的电流以负的方向流经共源共栅放大器141、146的寄生二极管。这通过以下方式实现，即在发送装置12中由共源共栅放大器141、146导致的在正方向上的电流限制在DPI测试期间被关断，使得不发生在CAN_L和CAN_H上电压的中间值的偏移并且因此不发生通信的干扰。

因此，在当前的实施例中，在CAN信号、即CAN_L或CAN_H的消隐向主导的开关边沿经过之后接通晶体管1400、1450。在CAN信号、即CAN_L或CAN_H的主导向消隐的开关边沿开始之前关断晶体管1400、1450。

在晶体管1400、1450的这样开关的情况下，得出对耦合输入的干扰不敏感的系统，而不改变信号CAN_L和CAN_H的边沿陡度或者边沿时间。

在当前实施例的一种修改方案中，第一和第二晶体管1400、1450在DPI测试期间和在利用图1的检测装置14检测高频的干扰辐射时如下地开关。晶体管1400、1450在CAN信号的消隐向主导的开关边沿时被接通并且在CAN信号的主导向消隐的开关边沿时被关断。特别是，晶体管1400、1450与信号CAN_L和CAN_H的额定边沿同时地开关。这样的开关也得出对耦合输入的干扰不敏感的系统。然而，在当前的修改方案中，信号CAN_L和CAN_H的边沿陡度或者边沿时间改变，特别是边沿陡度变陡并且边沿时间缩短。

根据第二实施例，平衡主导的总线状态，所述主导的总线状态相应于主导的状态53。更准确地说，调整沿输出电流镜CAN_H 140和输出电流镜CAN_L 145的方向的电流的比例关系。因此可以避免在不同的信号路径中的电流偏差，所述电流偏差可能由于器件错配而出现。有利地，NMOS电流库131可调整地构造。否则，如在第一实施例中所说明的那样构造总线系统1。

总线系统1、用户站10、30、发送装置12和方法的所有之前所说明的构型可以单个地或者以所有可能的组合的方式使用。尤其能够任意地组合实施例的特征。附加地，尤其可以考虑以下的修改方案。

根据实施例的总线系统1尤其为CAN网络或者CAN-FD网络或者FlexRay网络。

在实施例的总线系统1中的用户站10、20、30的数量和布置是任意的。在实施例的总线系统1中尤其也可以仅仅存在用户站10或者仅仅存在用户站30或者仅仅存在用户站10、30。

用户站10、30特别是对于CAN-FD意味着在使用明显更高的数据速率的情况下提高在通常的CAN传递的范围内的CAN-FD的发送质量。

用于检测在由发送装置12所发送的消息45、47上的HF信号分量5的检测装置14也可以布置在所述用户站10、20、30中的一个或者全部用户站10、20、30外部。

之前所说明的实施例的功能性也可以在收发器或发送/接收装置13中或者通信控制装置11等等中实现。附加地或者替代地，发送装置12可以集成到现有的产品中。