Untersuchung von passiven FlexRay

FlexRay-Spezial
IIII Simulation
Untersuchung
von passiven FlexRaySternkopplern
Simulation deckt kritisches Verhalten auf
Die Simulation der FlexRay-Konfiguration eines sternförmigen passiven Netzes zeigt, dass bei Datenübertragungsraten
von 10 Mbit/s ein passives Netz mit sternförmiger Topologie
aus EMV-Sicht kritisch ist. Hier führen längere, hochohmig
abgeschlossene Leitungen zu unerwünschten Emissionen.
Aus Sicht der Signalintegrität müssen zudem Anzahl und
Länge offener Stichleitungen begrenzt werden.
Von Dr. Lorena Diaz Ortega, Prof. Dr. Karl Heinz Kraft und Lothar Claus
E
ine Punkt-zu-Punkt-Verbindung in einem FlexRay-Netz
ist aus übertragungstechnischen Gründen unter Beachtung von
EMV-Aspekten optimal, da Reflexionen an beiden Enden der Übertragungsleitung vermieden werden. Bei
anderen Bustopologien, die ebenfalls
einen störungsfreien Betrieb garantieren und die Wirtschaftlichkeit des
FlexRay-Systems verbessern, sind
Stichleitungen zu berücksichtigen. Aus
Sicht der Signalintegrität wegen der
zu erwartenden erECU 4
ECU 5
heblichen EMVProbleme sind Anzahl und Länge der
2m
1m
Stichleitungen zu
ECU 1
ECU 2
2m
4m
begrenzen. Mit einer systematischen
1m;3m
Simulation
des
Schaltungsverhaltens lassen sich
Kriterien für eine
ECU 3
geeignete Dimensionierung
des
I Bild 1. Prinzipschaltung und KonfiFlexRay-Busses
guration eines FlexRay-Sternkoppgewinnen.
lers mit Stichleitungen.
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Punkt-zu-Punkt-Verbindungen entsprechen der Struktur eines „aktiven
Sterns“, der mit Blick auf eine hohe
Teilnehmerzahl des FlexRay-Netzes
jedoch recht aufwendig ist. Als Varianten bieten sich verschiedene passive
Bustopologien an. Zu deren Beurteilung ist eine Schaltungssimulation mit
SPICE ein sehr effektives Untersuchungswerkzeug. Dabei werden die
Buskomponenten modelliert und in
ihrem Zusammenspiel im Rahmen der
untersuchten Bustopologien getestet.
Weiterhin können Aspekte wie die geeignete Stelle für die Busterminierung,
Anzahl und Länge der Stichleitungen
sowie die Auswirkung der Reflexionen auf die Bussignale und auf die
Störabstrahlung untersucht werden.
Struktur und Anforderungen
von FlexRay
FlexRay-Systeme kommen in modernen Kraftfahrzeugen als Kommunikationseinrichtung im Hinblick auf den
Einsatz von X-by-Wire-Verfahren vor,
etwa für verteilte Fahrdynamikregelungen. Aus diesem Grund werden die
Anforderungen an die Datenübertragungsrate und die Fehlertoleranz
in Zukunft wesentlich höher. Mit
10 Mbit/s sind die Eigenschaften der
physikalischen Schicht und die Vernetzungsstruktur besonders zu beachten. Bei FlexRay sind die Datenleitungen Bus-Plus (BP) und Bus-Minus
(BM) spezifiziert (Spannungen gegenüber Masse), die durch den dominanten Zustand (Data_1, Data_0) und den
rezessiven Zustand (Idle Mode) eine
differenzielle Signalübertragung definieren. Als Sender und Empfänger arbeiten Transceiver, die eine angestrebte Spannungsdifferenz von ±600 mV
zwischen BP und BM erzeugen bzw.
auswerten sollen. Der Bus besteht aus
einem Dreileiter-System (Fahrzeugmasse und eine Zweidraht-Leitung mit
einem Gegentakt-Wellenwiderstand
von 90 Ω ), die DC-Buslast beträgt
45 Ω (Bild 1).
Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit sind zusätzliche EMV-Bauteile sinnvoll. Dabei
werden die Störströme durch eine
ECU
Ucc
BP
FlexRayTransceiver
L
RS
RT
RS
RT
k
BM
L
CSplit
I Bild 2. Beschaltung eines FlexRay-Transceivers zur Verbesserung des EMV-Verhaltens. Störströme werden etwa durch eine im
Gleichtaktbetrieb arbeitende Drossel L gedämpft, ein geteilter Busabschluss mit SplitKondensator CSplit dient der Symmetrierung
des Ausgangssignals.
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Simulation IIII
stromkompensierte Drossel
mit einer relativen hohen
R
Impedanz im GleichtaktbeUE5 1,3b5k
8 m/s
.
Z
=
90
,
v
=
2,08
10
W
p
trieb gedämpft (Bild 2). Ein
R1
geteilter Busabschluss mit
einem Split-Kondensator
45
R
Rb1
U0
U1 ZW, Td1
Uv ZW, Td2 UE2 90b2
wird auch als EMV-Schutz90
maßnahme betrachtet. Die
Einsatzgrenzen und Randbedingungen einer NetzR
UE4 1,3b4k
topologie werden allgemein
durch Datenübertragungsrate sowie Anzahl und Länge von Stichleitungen be- I Bild 3. Ersatzschaltbild eines Sternkopplers für die Simulastimmt. Diese Arbeit betion; hier werden von der Stammleitung zwei Stichleitunhandelt somit folgende
gen abgezweigt.
Schwerpunkte:
Anzahl und Länge der Stichleitun- am Leitungsanfang und im ersten Augen an einen passiven Sternkoppler. genblick ergibt sich bei SprunganreEinfluss der Mehrfachreflexionen gung mit U0(t) = Us s(t), s(t) = 1 für
auf die Signalleitungen und auf die t ≥ 0, aus dem EingangsspannungsteiEmission,
ler mit Rb1 || Zw. Weitere Beziehungen,
Wirkung der Entstörmaßnahmen.
wie z.B. die Angabe der Reflexionsfaktoren, gehen aus dem Kasten „ForDiese Schwerpunkte werden im Zu- meln zur Impulsreflektometrie“ hersammenspiel der FlexRay-Buskompo- vor. Dabei gibt der Reflexionsfaktor rv
nenten in [1] detailliert untersucht, den Wert im Anschlusspunkt der Stichweitere Grundsatzuntersuchungen sind leitungen (Verzweigungen) an, wobei
in [2, 3, 4] zu finden.
zunächst die Anzahl Ns der Stichleitungen eingesetzt wird. Für die Laufzeiten auf den Leitungen werden die
Bussignale bei einem
Werte Td1 eingesetzt.
passiven Sternkoppler
Alle Spannungswerte auf dem Bus
hängen von der Anzahl Ns der StichleiVereinfachte Analyse
tungen ab, bis auf den Anfangswert
Die Signalverläufe hängen von zahl- U1(0). Fordert man beispielsweise für
reichen Einflussgrößen und Parame- die Empfangsspannung am Ende UE2
tern ab, daher fallen allgemeingültige der Stammleitung, dass UE2(Td1+Td2)
Aussagen schwer. Deshalb werden ei- > U1(0)/2 = Us/4 gelten soll, müsste Ns
nige grundsätzliche Zusammenhänge < 2 gewählt werden. Solche Kriterien
aufgezeigt. Die Simulation vorgegebe- hängen natürlich von der Signalauswerner Strukturen, bei denen bereits sinn- tung ab (Ansprechschwelle mit Hysvolle Festlegungen getroffen sind, terese, Abtastzeitpunkt). Die weiteren
kann anschließend weitergeführt wer- Spannungswerte ergeben sich aus den
den. Es bieten sich einige Berechnun- Mehrfachreflexionen, die am Ende aller
gen zum passiven Sternkoppler an, bei Stichleitungen und am Sender auftredem mehrere Stichleitungen von einer ten. Soll die Schaltung von Bild 3 mit
Stammleitung abzweigen, wie in Bild Ns = 3 Stichleitungen weiter untersucht
3 dargestellt.
werden, liegt wegen der zahlreichen
Die Stammleitung ist am Ende re- Reflexionen eine Simulation mit SPICE
flexionsfrei abgeschlossen, die Stich- nahe. Dazu sind konkrete Werte für die
leitungen, deren Anzahl und Länge zu einzelnen Laufzeiten erforderlich. Es
diskutieren sind, werden nur mit den wurden die folgende Werte eingesetzt,
Stütznetzwerken belastet. Ihr resultie- wobei für l = 1 m Leitungslänge etwa
render Widerstand beträgt hier 1,3 kΩ, 5 ns gewählt wurden:
denn „wechselstrommäßig“ liegt eine
T d1 = 10 ns, T d2 = 20 ns, T d3 =
Reihenschaltung von zwei Parallel- variabel, Td4 = 10 ns, Td5 = 5 ns.
schaltungen mit je zwei Widerständen
Bild 4 zeigt beispielhafte Verläufe.
von 1,3 kΩ vor. Die Spannung U1(0) Zusammen mit der Spannung am Ende
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U E4 ist die Eingangsspannung U 5(t)
am Empfänger 5 zu sehen, die sich als
kritisch erweist, da die Toleranzgrenzen von ±400 mV erreicht werden. Bei
Td3 = 15 ns sind die Probleme offensichtlich.
Simulation mit FlexRayKomponenten
Zur Überprüfung der bisherigen Ergebnisse wird die gleiche Konfiguration des Sternkopplers mit FlexRay-
Formeln zur Impulsreflektometrie
R b1 ||
Zw
1
= Us
R 1 + R b1 ||
Zw 2
()
U1 0 = U s
r1 =
(1)
1
R 1 ||
R b1 − Z w
=−
2
R 1 ||
R b1 + Z w
rE 2 =
rESi =
(2)
R 2 − Zw
=0
R 2 + Zw
(3)
R ESi − Z w
= 0,87
R ESi + Z w
(4)
Zw
− Zw
1
N s +1
rv =
=−
Zw
2
+ Zw
1+
N s +1
Ns
( )
( )(
(
)
)
U v Td1 = U 1 0 1+ rv =
(5)
1
2
Us
2 2+ N s
( )(
)(
U E 2 Td1 + Td2 = U 1 0 1+ rv 1+ rE 2
)
(7)
11
22
== UUss
22 22++NNss
(
( )(
)
(6)
)(
)
U ESi Td1 + Tdi = U 1 0 1+ rv 1+ rESi
11
22
87
== UU ss
11++ 00,,87
22 22++ NN ss
(
( )
E fi =
πZ 0 A
rλ B
2
⎛f⎞
ΔIfi ⎜ i ⎟
⎝ fB ⎠
(8)
)
2
( )
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(9)
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IIII Simulation
I Bild 4. FlexRay-Bussignale an den Empfängern 4 und 5 (Anordnung von Bild 1 mit Td3 = 15 ns).
Komponenten simuliert. Dabei wird
die Busterminierung am Teilnehmer 1
und am Teilnehmer 2 mit den entsprechenden 90 Ω durchgeführt. Die Teilnehmer 3, 4 und 5 werden als hochohmige Knoten berücksichtigt und auf
diese Weise als Stichleitungen betrachtet. Bild 5 stellt die gemessene
Eingangsspannung am Empfänger 4
dar, wobei die Leitungslänge für den
Empfänger 3 l3 = 1 m und l3 = 3 m beträgt.
Die Simulationsergebnisse des passiven Sternkopplers zeigen eine Übereinstimmung mit den Ergebnissen des
passiven Sternkopplers mit einem gesendeten idealen Rechteckimpuls. Aus
diesen grundsätzlichen Betrachtungen
wird klar, dass sich das System hier an
der Grenze der Möglichkeiten befindet, zumal im realen Betrieb weitere
Einflüsse hinzukommen, die in dieser
Analyse noch nicht berücksichtigt sind.
Anzahl und Länge der an den Sternpunkt angeschlossenen Stichleitungen
dürfen daher auf keinen Fall weiter er-
höht werden – im Gegenteil: Eine deutliche Verringerung der maximalen
Stichleitungslänge ist zu empfehlen.
Abschätzung der
Störemissionen
Als Ursache für die Störemissionen
können neben Unsymmetrien im
Schaltungsaufbau induktive und kapazitive Kopplungen mit der Umgebung
genannt werden. Bei exakter Symmetrie heben sich die Felder der Ströme
im Hin- und Rückleiter (BP und BM)
auf, bei unsymmetrischer Schaltung ist
die Stromdifferenz (DI = IBP+IBM)
zwischen BP und BM für die Störemissionen maßgeblich, sie fließt über
die Schaltungsmasse zur Störquelle
zurück. Die Feldstärke kann dann über
Modelle von kurzen Dipolen oder
kleinen Rahmenantennen abgeschätzt
werden.
Die Geometrie des Dreileiter-Systems ist für die Bildung einer Leiterschleife verantwortlich, die bei Ver-
wendung einer ungeschirmten „Twisted Pair“-Konfiguration in Verbindung
mit der Masse eine relativ große Fläche
aufspannen könnte. Bei genügender
Fläche der Leiterschleife erzeugen bereits kleine Stromdifferenzen im μABereich erhebliche Feldstärken, insbesondere bei hohen Frequenzen. Zur
Abschätzung der abgestrahlten elektrischen Störfeldstärke im Abstand r kann
nach [5] die Beziehung nach Gleichung (9) herangezogen werden, die
für eine Leiterschleife mit der Fläche
A gilt und Schleifenstrom ΔI, diskrete
Frequenzen fi und den freien Wellenwiderstand Z0 enthält.
Als Bezugsgrößen sind definiert:
Abstand r = 3 m des Messpunkts von
der Störquelle, freier Wellenwiderstand Z0 = 100 π Ω, Fläche A der Leiterschleife z.B. A ≈ 0,1 m2, Wellenlänge λ B = 300 m bezogen auf f B =
1 MHz.
Eine detaillierte Berechnung wird
im Folgenden gezeigt. Die erwähnte
Stromdifferenz soll in diesem Fall et-
I Bild 5. FlexRay-Bussignale an den Empfängern 4 und 5, Anordnung von Bild 1 mit den Leitungslängen l3 = [1, 3] m.
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Simulation IIII
I Bild 6. Störfeldstärke bei CBM – G = 6 pF, r = 3 m, l3 = [1, 3] m ohne Entstördrossel.
wa durch eine parasitäre Kapazität von
6 pF zwischen BM und Masse erzeugt
werden. Die abgestrahlten Störfeldstärken sind in Bild 6 dargestellt, sie
beziehen sich hier auf die Leiterschleife am Empfänger 4 für verschiedene
Leitungslängen am Empfänger 3. Die
Simulationsergebnisse zeigen, dass
das abgestrahlte Feld bei einer Leitungslänge von 3 m höher ist als bei
1 m. Wie erwartet, bewirken die hochohmigen Abschlüsse an einer längeren
Leitung unerwünschte Mehrfachreflexionen, die bei Schaltungsunsymmetrien Störabstrahlungsprobleme verursachen können. Es ist zu betonen, dass
in kleineren Leiterschleifen bei höheren Frequenzen ebenfalls erhebliche
Feldstärken entstehen können. Auch
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I Bild 7. Störfeldstärke bei CBM – G = 6 pF, r = 3 m, l3 = 1 m, ohne und mit
Entstördrossel.
wenn hier bisher nur eine grobe Abschätzung vorliegt, folgt aus den Ergebnissen, dass unbedingt auf eine
sehr gute Schaltungs- und Leitersymmetrie geachtet werden muss. Um die
abgestrahlte Störung zu verringern,
wird eine 100-μH-Entstördrossel in
das System eingesetzt. Bild 7 zeigt die
Simulationsergebnisse, wobei die Wirkung der Entstördrossel zumindest in
einigen Bereichen deutlich wird. jw
Literatur
[1] Díaz Ortega, L.: Physical Layer Modellierung der Bussysteme CAN und FlexRay
im Kraftfahrzeug. Dissertation an der
TU Braunschweig. Shaker Verlag,
Aachen, 2005.
[2] Kraft, K.H.; Müller, T.: Untersuchung der
Leitungsabschlüsse für den CAN-Bus.
EMV in der KFZ-Technik, VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und
Feinwerktechnik (GMM), S. 69 – 74,
Wolfsburg, 2001.
[3] Díaz Ortega, L.; Kraft, K.H.; Claus, L.;
Döring, M.: Mit 10 Mbit/s über den
FlexRay-Bus. Elektronik automotive
2006, H. 6, S. 47 – 51.
[4] Claus, L.; Körber, B.: CAN (High Speed)
in Kraftfahrzeugen; EMV-Eigenschaften
künftiger Bus-Topologien und Betriebsarten. EMV 2000, Düsseldorf.
[5] Goedbloed, J.: EMV. Elektromagnetische Verträglichkeit. Analyse und Behebung von Störproblemen. Pflaum, 1997.
Dipl.-Ing. Lothar Claus
Dr.-Ing.
Lorena Díaz Ortega
studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt
Hochfrequenztechnik an der Universidad Politecnica de Valencia und hat 2005 an der TU
Braunschweig promoviert, und zwar im Bereich der Modellierung und Simulation der
physikalischen Bussysteme im Kraftfahrzeug.
Zurzeit arbeitet sie bei der Firma Carmeq im
EMV-Zentrum der Volkswagen AG. Ihr fachlicher Schwerpunkt ist EMV in der Kfz-Technik.
[email protected]
www.elektroniknet.de
Prof. Dr.-Ing.
Karl Heinz Kraft
studierte Elektrotechnik an der TU Braunschweig. Er arbeitete von 1974 bis 1988 als
Entwicklungsingenieur bei Siemens und war
maßgeblich an den Forschungsaktivitäten zur
Leittechnik von Magnetbahnen beteiligt. Seit
1988 ist er an der FH Braunschweig/Wolfenbüttel tätig, seine fachlichen Schwerpunkte
sind Hochfrequenztechnik und EMV.
[email protected]
studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt
Nachrichtentechnik an der Fachhochschule
Braunschweig-Wolfenbüttel. Er ist seit 1988
bei der Volkswagen AG in Wolfsburg beschäftigt und dort im EMV-Zentrum als Teamleiter
für das Arbeitsgebiet „EMV-Systemerprobung
im Bereich Komfort, Sicherheit und Instrumentierung“ sowie für die „EMV von Fahrzeugnetzwerken und von Halbleitern für Fahrzeuganwendungen“ tätig. Er ist Mitarbeiter in
mehreren EMV-Normausschüssen.
[email protected]
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