ES2264012T3 - Circuito de proteccion para la proteccion frente a sobretensiones para un transceptor can-bus. - Google Patents

Abstract

Circuito de protección para la protección frente a sobretensiones para un transceptor CAN-bus (TC) diseñado en cuanto a tensión para una primera red de a bordo (Vbat1), que funciona en una segunda red de a bordo (Vbat2) con una tensión de la red de a bordo que es varias veces superior a la primera red de a bordo (Vbat1), en solitario o en una red de a bordo de dos tensiones con la primera (Vbat1) y la segunda (Vbat2) red de a bordo, caracterizado porque entre ambas conexiones de bus (TCHI, TCLO) del transceptor (TC) están dispuestos dos diodos (D3, D3¿), cuyos cátodos están unidos entre sí y conectados a un potencial (P) predeterminado, entre cada conexión de bus (TCHI, TCLO) del transceptor (TC) y de la línea de bus (HI, LO) a él asociada, está dispuesta una resistencia limitadora (R3, R4), y para restablecer el nivel de tensión reducido debido a las resistencias limitadoras (R3, R4) en las líneas de bus (HI, LO) entre el polo positivo (+Vcc) de la fuente de tensión de alimentación (Vcc) del transceptor (TC) y la primera línea de bus (HI) está dispuesto un primer circuito de nivel de corriente (Q1 ¿ Q2) y entre la segunda línea de bus (LO) y el potencial de referencia (GND), un segundo circuito de nivel de corriente (Q2 ¿ Q4).

Description

Circuito de protección para la protección frente a sobretensiones para un transceptor CAN-bus.

La invención se refiere a un circuito de protección para la protección frente a sobretensiones para un transceptor CAN-bus diseñado en cuanto a tensión para una primera red de a bordo, que funciona en una segunda red de a bordo, en particular en una segunda red de a bordo, en particular en una red de a bordo de un vehículo automotor, con una tensión de la red de a bordo que es varias veces superior a la primera red de a bordo, en solitario o en una red de a bordo de dos tensiones con la primera y la segunda red de a bordo, según las particularidades de la reivindicación 1.

La introducción de redes de a bordo para vehículos automotores con tensiones de 14 V + 42 V o bien sólo 42 V, se debate desde hace algún tiempo y se utilizará próximamente. El gran impedimento para la utilización de la electrónica utilizada en la red de a bordo de 14 V para la red de a bordo de 42 V es la falta de resistencia al cortocircuito de estos sistemas electrónicos a 42 V.

Si hasta ahora en la red de a bordo de 14 V (Vbat1 = 12 V) era suficiente una resistencia frente a cortocircuitos de 14 - 18 V (permanente) y de 32 - 36 V (transitoria), se exigen en la red de a bordo de 42 V (Vbat2 = 36 V) resistencias al cortocircuito de 58 V (permanente) y hasta 70 V (transitoria).

Puesto que los ASICs existentes están optimizados también en su resistencia frente a las tensiones en relación con la red de 14 V, su utilización inmediata en la red de a bordo de 42 V no es posible la mayor parte de las veces. Esto puede lograrse por lo general sólo utilizando otra tecnología de semiconductores más resistente a la tensión.

Un cambio de tecnología como el indicado se corresponde por lo general con un rediseño de los correspondientes ASICs con elevados costes del orden de millones y una duración de desarrollo de varios años.

Para dotar modelos de serie piloto para la red de a bordo de 42 V de una electrónica adecuada, son necesarias vías alternativas. Pueden encontrarse circuitos de protección, en particular para funciones de entrada y salida, con pequeña potencia de activación, que cuando se produce un cortocircuito en tensiones de red de a bordo de 42 V realizan una separación. Cuando los mismos están configurados discretamente, entonces resultan, juntamente con los módulos funcionales iniciales, módulos utilizables para 42 V.

Amplias investigaciones han dado como resultado que existe una necesidad urgente de interfaces de comunicación utilizables a 42 V. Esto se refiere en particular al transceptor CAN-bus, ya que el CAN mientras tanto se ha convertido en el estándar en el automóvil y se utiliza casi en cada sistema de control del motor y de la caja de cambios.

Un concepto de circuito discreto con éxito puede también ser una propuesta para una posterior integración.

Por la DE 197 33 250 A1 se conoce un sistema de circuitos para una unidad de cierre de red para acoplar y desacoplar señales útiles y para la alimentación de equipos terminales en interfaces de cuatro hilos en redes de comunicaciones controladas digitalmente, lográndose una protección del circuito de alimentación frente a una sobreintensidad de corta duración mediante una limitación de la corriente o bien frente a una sobreintensidad permanente mediante un sistema de desconexión de alimentación con interruptor de alimentación controlado por el tiempo y que presenta un activador de línea activo para lograr el necesario nivel de emisión sobre las líneas.

En la DE 43 27 035 A1 se da a conocer un sistema para la transmisión bidireccional de datos sobre un sistema de BUS de dos hilos, que funciona cuando hay múltiples perturbaciones en la línea en el modo de funcionamiento de un solo hilo y que evita entonces pérdidas de potencia incluso cuando hay un cortocircuito frente a una elevada tensión de servicio.

Es tarea de la invención lograr un circuito de protección adecuado para el transceptor CAN-bus, técnicamente sencillo de realizar e integrable, que permita utilizar un transceptor diseñado para la red de a bordo de 14 V también en la red de a bordo de 42 V.

Esta tarea se resuelve en el marco de la invención mediante un circuito de protección según las particularidades de la reivindicación 1.

Ventajosos perfeccionamientos de la invención pueden deducirse de las reivindicaciones secundarias.

La invención incluye la enseñanza técnica de colocar en cada una de ambas líneas del CAN-bus una resistencia limitadora de la corriente para limitar las corrientes de cortocircuito y restablecer la potencia de activación del transmisor, entonces reducida, teniendo en cuenta aspectos específicos de EMV, es decir, de la compatibilidad electromagnética (Common-Mode-Signal) mediante un circuito adicional, desconectándose (autoprotección) este circuito adicional cuando hay un cortocircuito en 42 V.

Un ejemplo de ejecución de la invención se describirá más en detalle a continuación en base a un dibujo esquemático.

En el dibujo muestran:

figura 1 un esquema de circuitos completo de un CAN-bus conocido con transceptor,

figura 2 un esquema básico de circuitos de un transceptor CAN-bus,

figura 3a las señales ideales sobre las líneas del CAN-bus,

figura 3b las señales reales sobre las líneas del CAN-bus,

figura 4 un esquema de circuitos del circuito de protección correspondiente a la invención.

La figura 1 muestra un esquema de circuitos completo de una versión conocida del CAN-bus para la transmisión diferencial de datos en una red de a bordo de 14 V, que presenta una primera (HI) y una segunda (LO) línea de bus, que en general se realizan como par de líneas trenzado. La línea HI se ha resaltado en la figura 1 con trazo más grueso. En un extremo de la línea CAN-bus se encuentra un transceptor TC, que comunica con un aparato de control (microcomputador, controlador, etc.), estando conectado al otro extremo un aparato G que se controla mediante un CAN-bus, que está conectado al CAN-bus mediante un transceptor no representado. Otros aparatos G (y transceptores) pueden estar conectados en cada punto del CAN-bus. Cada transceptor de otro aparato G necesita un circuito de protección frente a cortocircuitos correspondiente a la invención en la red de a bordo de 42 V.

Como transceptor TC para una versión de alta velocidad (highspeed), se utiliza por ejemplo un Philips PCA82C250, cuyos datos han de tomarse de la hoja de datos "Interfaz de controlador de semiconductores Philips PCA82C250 CAN, especificación de producto" del 13 de enero del 2000.

La impedancia de línea es por ejemplo de 120 \Omega, estando cerrado por lo tanto el CAN-bus por ambos lados con dos resistencias R (cada una de 60 \Omega) conectadas en serie entre las líneas HI y LO y un condensador C puesto a tierra (con 100 nF) entre ellas. La impedancia de bajo ohmiaje así obtenida frente a masa ayuda en la supresión de las señales sincrónicas (compatibilidad electromagnética).

La figura 2 muestra un esquema básico de circuitos de un transceptor CAN-bus TC. El mismo está compuesto por un transmisor TM (módulo emisor) y un receptor RC (módulo receptor). Adicionalmente está integrada una red de resistencias de alto ohmiaje para el ajuste del punto de trabajo de tensión continua.

Esta red de resistencias está compuesta por ejemplo por una resistencia RT1 conectada entre el polo positivo Vcc de la tensión de alimentación del transceptor TC y de la línea LO del CAN-bus, una resistencia RT2 conectada entre línea HI y LO y una resistencia RT3 conectada entre la línea HI y el potencial de referencia GND. Éste es un circuito posible para generar un nivel de tensión continua de 2,5 V. RT1 y RT3 tienen al respecto el mismo valor de alto ohmiaje (por ejemplo cada una 100 k\Omega), mientras que RT2 es de bajo ohmiaje (por ejemplo 5 k\Omega). Mediante este sistema la tensión en la línea HI es ligeramente inferior a la de la línea LO, lo que desde luego es deseable. La impedancia de entrada diferencial medible en las conexiones del transceptor TCHI y TCLO, se encuentra en este dimensionamiento de circuito en unos 5 k\Omega.

Un esquema de circuitos algo más detallado del transceptor TC puede tomarse del diagrama de bloques de la figura 1 de la ya citada hoja de datos de Philips del CAN PCA82C250 interfaz del controlador.

Sobre las líneas de bus HI y LO pueden generarse, tal como muestra la figura 3a, dos estados de nivel:

a)

ambas líneas se encuentran a un potencial de tensión continua V(HI) = V(LO) + 2,5 V. Este estado se corresponde con el nivel L "recesivo" de la señal de control st,

b)

sobre la línea HI existe un potencial de tensión continua V(HI) = 3,5 V (2,5 V + 1 V) y sobre la línea LO existe un potencial de tensión continua V(LO) = 1,5 V (2,5 V - 1 V). Este estado se corresponde con el nivel H "dominante" de la señal de control st.

De esta manera debe quedar asegurado que la tensión suma V(HI) + V(LO) = 5 V de ambas líneas es constante en cada momento, lo cual minimiza la aparición de una emisión perturbadora de alta frecuencia (compatibilidad electromagnética).

Puesto que la conexión y desconexión de los potenciales adicionales (\pm1 V) en ejecuciones conocidas de transceptores no tiene lugar de forma totalmente simultánea, se llega en los procesos de conexión a puntas de tensión, las llamadas "spikes", en la señal sumatoria, que causan una emisión de señal perturbadora de alta frecuencia indeseada; ver al respecto la figura 3b. Para evitar la misma, se inserta una reactancia DR de CAN-bus entre el transceptor TC y las líneas HI y LO del CAN-bus; ver figura 4.

Esta reactancia DR tiene el efecto de un transmisor de separación, que compensa las diferencias de la evolución de la señal entre las líneas, con lo que las formas de la señal pueden aproximarse al ideal. Esto minimiza las puntas ("spikes") y reduce la emisión perturbadora en relación con la compatibilidad electromagnética.

El transmisor TM está protegido tanto frente a un cortocircuito en relación con el potencial de referencia (0 V), en relación con tensiones negativas (desplazamientos del potencial de masa, tensiones negativas transitorias) como también en relación con la tensión de batería Vbat1 (en relación con 14-18 V permanente y con 32-36 V transitorio). No obstante, cuando hay un cortocircuito en relación con 42 V, estas medidas son inefectivas, ya que la tensión de perforación de los transistores y diodos de protección se sobrepasa ampliamente. Se llega en este caso a un flujo de corriente sobreelevado y a un sobrecalentamiento destructor de los ASICs.

Para el receptor RC rigen las mismas medidas de protección que para el transmisor.

La repercusión fatal en un circuito de la red de abonado de 42 V (58 V permanentemente y hasta 70 V transitoriamente) resulta del elevado valor de la tensión y de las intensidades que de ello resultan. Un circuito de protección no debe perjudicar el funcionamiento pleno del transceptor, pero por otro lado debe mantener alejados los niveles de tensión perjudiciales de manera fiable de las conexiones del transceptor.

La figura 4 muestra un circuito correspondiente a la invención, mediante el cual se protege un transceptor TC diseñado para una red de a bordo de 14 V Vbat1, que funciona en una red de a bordo de dos tensiones Vbat1 + Vbat2, de manera fiable frente a cortocircuitos en la red de a bordo de 42 V (de manera permanente \sim60 V y de manera transitoria \sim70 V). Esto se logra fijando las tensiones en las conexiones del transceptor TCHI, TCLO a la tensión de batería Vbat1 (+14 V), así como mediante una limitación de la corriente de falta mediante resistencias limitadoras insertadas en las líneas de bus, que deben estar dimensionadas (por ejemplo por cada 1k\Omega/1W), de tal manera que no se vea perjudicada la función receptora del transceptor TC.

Pero puesto que el transmisor está desacoplado del CAN-bus mediante estas resistencias limitadoras, es necesario para el funcionamiento un circuito adicional, que asegure el mantenimiento del nivel de tensión continua de 2,5 V sobre las líneas de bus, que no obstante deben estar protegidas frente a cortocircuitos en la red de a bordo de 42 V (60/70 V).

En la figura 4 se representa el CAN-bus como en la figura 1. En un extremo del CAN-bus se encuentra el transceptor TC (del cual sólo está representado aquí su transmisor TM), estando cerradas las líneas de CAN-bus HI y LO, resaltadas con línea discontinua, de nuevo por ambos lados con ambas resistencias R conectadas entre las líneas HI y LO en serie y el condensador C puesto a tierra entre ellas. Las líneas no se han representado trenzadas, para mayor claridad, no estando indicados los aparatos a conectar y el transceptor, pero se muestra la ya citada reactancia DR entre el transceptor TC y las líneas de CAN-bus.

Una fuente de control \muC (microcomputador, controlador, etc.) aporta la señal de control st para el funcionamiento emitiendo del transceptor TC. Entre las salidas del transceptor TC y las líneas de bus HI y LO, están insertadas las resistencias limitadoras R3 y R4 como resistencias en serie. Entre ambas conexiones de bus (HI y LO) del transceptor TC están dispuestos dos diodos D3 y D3', cuyos cátodos están conectados entre sí y con un potencial predeterminado, por ejemplo el de la primera tensión de a bordo Vbat1 (+12 V), cuyo polo negativo se encuentra al potencial de referencia GND.

Cuando sólo existe una red de a bordo de 42 V Vbat2, pueden colocarse los cátodos de los dos diodos D3 y D3' a un potencial existente o bien en un diodo zener correspondientemente dimensionado. El valor del potencial predeterminado P o bien el valor de la tensión de perforación Vz del diodo zener, pueden encontrarse en una zona entre la tensión de alimentación Vcc del transceptor TC y la tensión de la red de a bordo para la que está diseñado el transceptor TC (aquí Vbat1).

Puesto que las conexiones del transceptor TCHI, TCLO están desacopladas mediante las resistencias R3 y R4 del CAN-bus, ya no puede generar el transceptor el nivel de tensión necesario V(HI) = 3,5 V y V(LO) = 1,5 V en las líneas de bus HI, LO.

Por esta razón se preven dos circuitos de nivel de intensidad Q1 - Q2 y Q3 - Q4, que solucionan esta tarea. Para generar la corriente de referencia para el primer (Q1 - Q2) y segundo (Q3 - Q4) circuito de nivel de intensidad, se preven entre los transistores (Q1 y Q3) de ambos circuitos de nivel de intensidad (Q1 - Q2, Q3 - Q4) dispuestos entre el polo positivo (+Vcc) de la tensión de alimentación (Vcc) del transceptor (TC) y el potencial de referencia (GND), dispuestos en conexión serie, una resistencia (R6) y un tercer transistor (Q5).

El transistor Q2, que junto con el transistor Q1 forma el primer circuito de nivel de intensidad, está conectado con el polo positivo +Vcc de la tensión de alimentación a través de una resistencia R2 y con la línea de bus HI a través de un diodo D1 (en el sentido de permeabilidad de la corriente hacia la línea de bus HI; como protección frente a cambio de pola-
ridad).

El transistor Q4, que junto con el transistor Q3 forma el segundo circuito de nivel de intensidad, está conectado con el potencial de referencia GND a través de una resistencia R8 y con la línea de bus LO a través de un diodo D2 (en sentido de permeabilidad de la corriente alejándose de la línea de bus LO; como protección frente a cambio de polaridad).

Ambos circuitos de nivel de intensidad han de diseñarse para una intensidad de salida tal que, cuando se realiza el control mediante el transceptor TC, pueden generar en el CAN-bus la elevación de tensión necesaria de +1 V sobre la línea HI y de -1 V sobre la línea LO (= 2 V de punta-punta).

Ambos circuitos de nivel de intensidad Q1 - Q2, Q3 - Q4, se conectan y desconectan síncronamente con la señal de control st del transceptor TC mediante el tercer transistor Q5.

Entre la línea de bus LO y el potencial de referencia GND está dispuesto un circuito serie de un diodo zener D4 y dos resistencias R9 y R10. El punto de unión de ambas resistencias está conectado con la base de un transistor Q6, cuyo emisor se encuentra al potencial de referencia GND y cuyo colector está unido con la base del tercer transistor Q5. Mediante este circuito se desconectan ambos circuitos del nivel de intensidad Q1 - Q2, Q3 - Q4, tan pronto como la tensión en una de las líneas de CAN-bus sobrepasa un valor de por ejemplo la tensión (+12 V) de la primera red de a bordo Vbat1.

Cuando hay un cortocircuito en una de las líneas del CAN-bus en la red de a bordo de 42V (hasta 60/70 V sobre la línea HI o LO), se vuelve conductor el correspondiente diodo D3, D3'. La intensidad se limita mediante la resistencia de limitación R3, R4 a por ejemplo 30 mA, con lo que las mismas deben estar diseñadas para una potencia más elevada, por ejemplo 1k\Omega/1W, tal como ya se ha mencionado. Mediante esta medida se limitan las salidas de los transceptores a una tensión Vbat1 + 0,7 V aumentada en la caída de tensión en los diodos D3, D3'. Frente a una tensión como la indicada, está protegido internamente el transceptor.

El transceptor TC permanece sin corriente cuando se reciben datos y en la fase recesiva, quedando limitada la corriente en la fase dominante a unos 40 mA.

Mediante ambos diodos D1, D2, están protegidos los circuitos de nivel de corriente Q1 - Q2 y Q3 - Q4 tanto frente a cambio de polaridad como también frente a un cortocircuito en la red de a bordo de 42 V sobre una de las líneas del CAN-bus. Adicionalmente quedan protegidos ambos circuitos de nivel de corriente mediante el transistor Q6, que desconecta ambos circuitos de nivel de corriente tan pronto como la tensión en una de las líneas del CAN-bus sobrepasa un valor de por ejemplo 12 V.

La función de receptor del transceptor TC, cuando el transceptor de un aparato G (figura 1) emite al receptor del transceptor TC, no se ve perjudicada por las medidas descritas. Si se supone para la resistencia diferencial de entrada el valor más desfavorable (5 k\Omega), entonces resulta juntamente con las resistencias de limitación R3, R4 un divisor de tensión, que ciertamente debilita la señal del bus hacia el receptor (de \pm1 V a aprox. \pm0,7 V); este valor corresponde no obstante a la especificación del transceptor utilizado, por ejemplo PCA82C250.

El resultado del transceptor protegido de la manera descrita es el siguiente:

el circuito de protección protege al transceptor fiablemente frente a cortocircuitos (al menos hasta 60 V en permanencia y 70 V transitoriamente) sobre las líneas de bus,

el circuito de protección ha de implementarse sencillamente de manera autoasegurada y con componentes estándar;

el concepto de conexión del circuito de protección es adecuado para la integración en un ASIC;

se mantienen los parámetros relevantes para la especificación del transceptor (por ejemplo el PCA82C250 y del CAN-bus).

Las señales de salida del transmisor TM modificado según la invención son muy simétricas, con lo que puede ahorrarse previsiblemente la reactancia DR del CAN-bus sin sobrepasar los límites de emisiones perturbadoras. Esto significa una reducción de costes adicional.

Con el circuito de protección correspondiente a la invención es posible un puenteado en el tiempo hasta que esté disponible una solución totalmente integrada.

Claims (7)

1. Circuito de protección para la protección frente a sobretensiones para un transceptor CAN-bus (TC) diseñado en cuanto a tensión para una primera red de a bordo (Vbat1), que funciona en una segunda red de a bordo (Vbat2) con una tensión de la red de a bordo que es varias veces superior a la primera red de a bordo (Vbat1), en solitario o en una red de a bordo de dos tensiones con la primera (Vbat1) y la segunda (Vbat2) red de a bordo,

caracterizado porque

entre ambas conexiones de bus (TCHI, TCLO) del transceptor (TC) están dispuestos dos diodos (D3, D3'), cuyos cátodos están unidos entre sí y conectados a un potencial (P) predeterminado,

entre cada conexión de bus (TCHI, TCLO) del transceptor (TC) y de la línea de bus (HI, LO) a él asociada, está dispuesta una resistencia limitadora (R3, R4), y

para restablecer el nivel de tensión reducido debido a las resistencias limitadoras (R3, R4) en las líneas de bus (HI, LO) entre el polo positivo (+Vcc) de la fuente de tensión de alimentación (Vcc) del transceptor (TC) y la primera línea de bus (HI) está dispuesto un primer circuito de nivel de corriente (Q1 - Q2) y entre la segunda línea de bus (LO) y el potencial de referencia (GND), un segundo circuito de nivel de corriente (Q2 - Q4).

2. Circuito de protección según la reivindicación 1,

caracterizado porque el valor del potencial (P) predeterminado se encuentra en una zona entre la tensión de alimentación (+Vcc) del transceptor (TC) y la tensión de red de a bordo (Vbat1) para la que está diseñado el transceptor (TC).

3. Circuito de protección según la reivindicación 1 ó 2,

caracterizado porque el potencial (P) predeterminado es la tensión de perforación de un diodo zener cuyo valor se encuentra en una zona entre la tensión de alimentación (+Vcc) del transceptor (TC) y la tensión de la red de a bordo (Vbat1) para la que está diseñada el transceptor (TC).

4. Circuito de protección según la reivindicación 1,

caracterizado porque para generar la intensidad de referencia para el primer (Q1 - Q2) y el segundo (Q3 - Q4) circuito de nivel de corriente entre los transistores (Q1 y Q3) de ambos circuitos de nivel de corriente (Q1 - Q2, Q3 - Q4) dispuestos entre el polo positivo (+Vcc) de la tensión de alimentación (Vcc) del transceptor (TC) y el potencial de referencia (GND) en conexión serie, está insertada una resistencia (R6) y un tercer transistor (Q5).

5. Circuito de protección según la reivindicación 4,

caracterizado porque los circuitos de nivel de corriente (Q1 - Q2, Q3 - Q4) se conectan y desconectan mediante una señal de control (st) que controla el funcionamiento de emisión del transceptor (TC) mediante el tercer transistor (Q5).

6. Circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 5,

caracterizado porque entre la línea de bus (LO) y el potencial de referencia (GND) está dispuesto un circuito serie de un diodo zener (D4) y dos resistencias (R9, R10), estando conectado el punto de unión de ambas resistencias con la base de otro transistor (Q6), cuyo emisor se encuentra al potencial de referencia (GND) y cuyo colector está unido con la base del tercer transistor (Q5), con lo que ambos circuitos de nivel de corriente (Q1 - Q2, Q3 - Q4) se desconectan tan pronto como la tensión en una de las líneas CAN-bus (HI, LO) sobrepasa un valor de tensión determinado mediante la conexión serie del diodo zener (D4) y de ambas resistencias (R9, R10).

7. Circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 6,

caracterizado porque cada transceptor de un aparato (G) conectado al CAN-bus (HI, LO) lleva asociado un circuito de protección.