Patent DE 10 2016 119 927

Standardisierte Kommunikationsprotokolle zwischen verschiedenen Elektronikchips sind eine Grundvoraussetzung für den Aufbau moderner Elektroniksysteme. Etablierte Protokolle, die von den meisten kommerziellen Chips unterstützt werden, gehen häufig mit einem relativ hohen Energiebedarf während der Kommunikation einher. Mittels eines neuen Schaltungskonzepts kann der Energiebedarf verringert und somit die Betriebsdauer batteriebetriebener Systeme verlängert bzw. die Anwendbarkeit der Protokolle auf alternative Versorgungskonzepte wie z.B. Energy-Harvesting erweitert werden.

Die Signalübertragung zwischen elektronischen Systemkomponenten wird häufig über einen seriellen Signalbus abgewickelt. Dabei werden unterschiedliche Kommunikationsprotokolle eingesetzt, wie z.B. SMBus, I²C, 1-wire oder SPI. Viele dieser Protokolle benötigen Pull-Up-Widerstände, die einen definierten High-Pegel auf dem Signalbus schaffen, der zur Signalisierung auf Low-Pegel gezogen werden kann. Der dabei andauernde Stromfluss über die Pull-Up-Widerstände trägt wesentlich zum Energieverbrauch bei, wenn solche Signalbusse in Ultra-Low-Power- und batteriebetriebenen Systemen (z.B. RFID-Sensor-Transpondern) eingesetzt werden.

Die Idee der Erfindung besteht in einem neuartigen Schaltungskonzept, in welchem auf Pull-Up-Widerstände verzichtet und die Ladeenergie für einen Pegelwechsel durch einen Pull-Up-Emulator sehr energieeffizient bereitstellt wird. Die Pull-Up-Emulator-Schaltung 01, beinhaltet 

• Zustandsspeicher (Latch mit Eingang 02, Ausgang 03), der an eine Ladeleitung 04 angeschlossen ist,
• Set-Schalter S2, der im geschlossenen Zustand durch Anlegen einer Versorgungsspannung V_supply einen High-Pegel an die Ladeleitung 04 und den daran angeschlossenen Zustandsspeicher anschaltet; geöffnet trennt er 04 von V_supply , sodass am Knoten 05 ein hochohmiger Zustand herrscht,
• Probe-Schalter S1, der im geschlossenen Zustand die Ladeleitung 04 und den daran ange-schlossenen Zustandsspeicher an einen mit dem Signalbus verbindbaren Busknoten PU schaltet,
• Steuerschaltung Ctrl., getaktet durch einen Oszillator OSC. 

Die Steuerschaltung versetzt innerhalb eines vorbestimmten Arbeitszyklus 

• den Set-Schalter S2 in den geschlossenen Zustand, um den Zustandsspeicher auf High-Pegel zu setzen,
• den Probe-Schalter S1 in den geschlossenen Zustand,
• nach einer vorbestimmten Überlapp-Zeit den Set-Schalter S2 in den geöffneten Zustand,
• den Probe-Schalter S1 in den geöffneten Zustand.

Die Überlapp-Zeit ist dabei so dimensioniert, dass die während des geschlossenen Zustands der Schalter S1 und S2 bereitgestellte Ladeenergie ausreicht, um den am Busknoten PU angeschal-teten Signalbus mit seiner Buskapazität vom Low-Pegel in den High-Pegel zu versetzen, sofern der Signalbus sich im Leerlauf befindet. 

Vorteile der Erfindung 

• Die Ladeenergie für einen Pegelwechsel auf einem Signalbus wird durch den Pull-Up-Emulator sehr energieeffizient bereitstellt.
• Die Schaltung ist generell für unterschiedliche Bussysteme und beliebige Signalfrequenzen geeignet.
• Für die am Bus angeschalteten herkömmlichen Systemkomponenten sind keine Anpassungen erforderlich. Daher lässt sich die Schaltung leicht in herkömmliche Bussysteme integrieren.