JP2008537324A - 集積回路のエネルギ供給装置 - Google Patents

Abstract

装置（１４）は、供給すべき回路負荷（１７）及びこの回路負荷（１７）に並列接続される内部容量（１５）を持つ高速刻時回路（１３）へのエネルギ供給に用いられる。集積回路（１３）は、特に少なくともＭＨｚ範囲にある高いクロック周波数（ｆ１）を持っている。特に電流源として構成される供給装置（１４）は、内部容量（１５）に直接接続されている。クロック周波数（ｆ１）において、回路負荷（１７）に供給される電流（Ｉ_Ｄ２）のうち、内部容量（１５）に由来する割合の方が供給装置（１４）に由来する割合より大きいように高いインピーダンス値を持つ内部インピーダンス（３０）を、供給装置（１４）が持っている。

Description

本発明は、高速刻時集積回路のエネルギ供給装置であって、集積回路が供給すべき回路負荷及び回路負荷に対して並列接続される内部容量を持っているものに関する。

他の技術分野におけるように、現在自動車技術の分野においても、例えばマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラの形で、集積回路がますます使用されている。その作動のためエネルギ供給装置が設けられている。公知のこのような装置は、通常集積回路の供給入力端とアースとの間に並列接続される外部阻止容量と、これに並列接続される電圧源とを含んでいる。電圧源は阻止容量を充電し、集積回路に供給されるエネルギは、放電電流により阻止容量から取出される。それにより理想的な電圧源のできるだけ現実的な模擬が行われるようにする。しかし公知のエネルギ供給装置は、特に集積回路のクロック周波数が１０ＭＨｚより大きい値をとる時、電磁エネルギの望ましくない大きい放射を生じる。その場合、場合によっては自動車部門の電磁適合性の要求ももはや満たされない。

従って本発明の課題は、最初にあげた種類の装置により、特にＭＨｚ範囲の高いクロック速度においても、集積回路にエネルギを供給でき、同時に自動車部門の電磁適合性の要求が守られるようにすることである。

この課題を解決するため、請求項１の特徴に記載の高速刻時集積回路のエネルギ供給装置が提示される。本発明は大体において２つの方策に基いている。まず付加的な阻止容量を持つ外部回路がなくされる。その代わりに、集積回路内にいずれにせよ存在する内部バス容量が使用される。次に公知の装置において使用される低抵抗電圧源の代わりに、できるだけ高い内部インピーダンスを持つエネルギ供給装置が使用される。

両方策の組合わせにより、バス容量の充電と放電との分離が行われる。バス容量の放電は更に高いクロック周波数で行われるが、これに反し充電は著しく低い周波数で行われる。低い周波数は、バス容量と供給装置の高抵抗内部インピーダンスとの組合わせの低域フィルタ特性のため生じる。充電に関連して現れる充電周波数は、少なくとも１けただけ、放電に関連して現れる放電周波数より小さく、この放電周波数は、主として集積回路のクロック速度の基本波（クロック周波数）及びその高調波によって決定される。副次的外乱は内部通信によって生じ、この通信の基本周波数は大抵の場合半分のクロック速度で作動せしめられる。高周波の放電周波数を持つ信号成分は空間的に狭く限定されており、大体において集積回路内にのみ存在する。これに反し低周波の充電周波数を持つ信号成分は、集積回路が取付けられている印刷回路板も通過する。両方の信号成分は電磁エネルギの著しい放射を行わない。即ち放電信号成分は集積回路内の狭い空間的限界のため、また充電信号成分は低い周波数のため、著しい放射を行わない。

こうして全体として、高いクロック速度を持つ集積回路も、本発明による装置によって、電気エネルギを供給され、その際電磁エネルギの放射を行わない。自動車部門の電磁適合性の要求は、上のＭＨｚ範囲におけるクロック周波数においてもなお守られる。

本発明による装置の有利な展開は、請求項１に従属する請求項からわかる。

請求項２による展開は簡単に実現される。理想的な場合無限に大きい内部インピーダンスにより特徴づけられる電流源は、低抵抗の電圧源と使用事例に応じて大きさを定められる内部インピーダンスとの直列回路により模擬される。電圧源は簡単に構成することができる。これは特に電圧を制御される電圧源にも当てはまる。

請求項３による展開は、エネルギ供給が現在存在する必要性に応じるのを保証する。

更に請求項４による方策は、制御装置が有利に低い制御速度を持つのを保証する。内部容量において降下する電圧の突然の変化も、低域フィルタ作用のため、充電エネルギの緩慢な追跡のみを生じる。

請求項５による展開は、高周波信号成分が、かなりの範囲で集積回路外にも例えば印刷回路板の出−入り導線上にも現れ、そこで放射されるのを防止する。

請求項６による方策は、内部インピーダンスを実現するために使用される個別素子の並列容量の強すぎる影響を防止する。並列容量は不利である。なぜならば、それは高い周波数において低いインピーダンス値を持つからである。インピーダンスとフェライト素子との直列接続は、フェライト素子の並列容量の望ましくない影響を少なくする。複数のインピーダンスが直列に接続されていると、寄生並列容量の影響が同様に減少する。費用と利用との良好な妥協は、特に４つの低容量インピーダンスの直列接続により行われる。少なくとも１つの低容量インピーダンスは装置全体の橋絡容量を減少し、効果的な基本減衰を与えるが、これに反しフェライト素子は、ちょうど高いクロック周波数において所望の大きい損失割合を持っている。

前記の有利な展開は、任意の組合わせで存在していてもよい。

本発明のそれ以外の特徴、利点及び詳細は、図面に基く実施例の以下の説明から明らかになる。図において互いに一致する部分は同じ符号をつけられている。

図１及び２には、従来技術による集積回路２のエネルギ供給装置１が示されている。集積回路２の供給入力端３は、外部の阻止容量４及び電圧源として構成される供給装置５に並列接続されている。集積回路２、阻止容量４及び供給装置５は、ケーブルハーネス７が接続されている２層印刷回路板６上に設けられている。図２による等価回路図には、例えば高速刻時マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラとして又は高速刻時メモリモジュールとして構成される複素インピーダンス８としての回路２も示されている。更にアース戻り導線には、２つの同相インダクダンス９及び１０が設けられ、これらのインダクダンスにアンテナ屋根容量１１が並列接続されている。

公知のエネルギ供給装置１は次のように動作する。供給装置５が電源電圧Ｕ_Ｑ１を供給する。並列接続されて例えば約１００ｎＦの容量値を持つ阻止容量４により、理想的な電圧源が模擬される。供給装置５は充電電流Ｉ_Ｃ１を供給し、この電流により阻止容量４が充電される。阻止容量４から取出される放電電流Ｉ_Ｄ１は集積回路２にエネルギを供給する。充電電流回路は図１に破線で示され、放電電流回路は実線で示されている。集積回路２の各切換え過程において、阻止容量４から、電荷の一部が取出される。それにより生じる電位差は、供給装置５による即刻の再充電によって再び補償される。

充電電流Ｉ_Ｃ１及び放電電流Ｉ_Ｄ１は、大体において高速刻時回路２特にそのクロック周波数ｆ１により決定される同じ周波数成分を含んでいる。従って集中された素子として充−放電回路の出−入り導線にある同相インダクタンス９及び１０により表わされる磁界Ｈ_ＣＭ１及びＨ_ＣＭ２が生じ、同じ高さのクロック周波数ｆ１を持つ電圧降下が生じる。従って印刷回路板６の出−入り導線内に、電界Ｅ_ＣＭ１（図１）と組合わされる同相電圧Ｕ_ＣＭが形成され、インダクタンス９及び１０（図２）のエネルギ蓄積特性のため同相電流Ｉ_ＣＭを生じる。

本発明の範囲内で、印刷回路板６とケーブルハーネス７から成る全装置が双極子状アンテナ特性を持っていることが分かった。従って同相電流Ｉ_ＣＭは少なくとも特定の割合だけ放射される。放射の程度はクロック周波数ｆ１に強く関係している。双極子状特性のため、放射はクロック周波数ｆ１の２乗で増大する。例えばｎ×１０ＭＨｚ範囲にある高いクロック周波数ｆ１は、従って非常に大きい放射を生じる。放射されるエネルギは、大部分がアンテナ屋根容量１１（図２）の変位電流従って同相電流Ｉ_ＣＭに由来する。

公知の装置１の上述した放射特性では、特に自動車技術において装置１を使用する場合与えられている電磁適合性の要求が、増大するクロック周波数ｆ１においてもはや満たされなくなる。

本発明によるエネルギ供給装置の図３〜７に示される実施例は、公知の装置１の上述した欠点を回避する。これらの実施例は強く減少される放射特性を持っているので、自動車部門に課される電磁適合性の要求が、高いクロック周波数ｆ１においても満たされる。

図３及び４には、供給装置１４により集積回路１３にエネルギを供給する本発明による装置１２の第１実施例が示されている。装置１とは異なり、装置１２は別個の外部阻止容量４を含んでいない。その代わりに、集積回路１３の供給バスの構成部分として供給入力端１６に対して並列に設けられて例えば約５ｎＦの容量値を持つ内部バス容量１５に頼る。いずれにせよ存在するバス容量１５に頼ることによって、実現のための費用が低下する。更に供給装置１４は、装置１におけるように低抵抗電圧源としてではなく、高抵抗電圧源として構成されている。

図４によれば、集積回路１３は、バス容量１５及びインピーダンスとして示されて本来供給されるべき回路負荷１７のほかに、アース戻り導線に同相インダクタンス１８及びそれに対して並列に設けられるアンテナ屋根容量１９を含んでいる。従って大体において印刷回路板６にわたって伸びる充電電流回路も、そのアース戻り導線に、同相インダクタンス２０とアンテナ屋根容量２１から成る並列回路を持っている。

本発明による装置１２の作用を以下に説明する。充電電流回路及び放電電流回路は、空間的にも周波数においても分離されている。放電電流回路は集積回路１３の面に限られているが、充電電流回路は大体において印刷回路板６に延びている。バス容量１５からエネルギを取出して回路負荷１７へ供給する放電電流Ｉ_Ｄ２は、大体において高いクロック周波数ｆ１により決定される周波数成分を持っている。これに反しバス容量１５の充電は、著しく低い充電周波数ｆ２を持ちかつ電源電流Ｉ_Ｑとして供給装置１４から利用可能にされる充電電流Ｉ_Ｃ２により行われる。

バス容量１５及び供給装置１４の高抵抗の内部インピーダンスは、充電電流Ｉ_Ｃ１２の著しく低い周波数を生じる低域フィルタを形成している。内部インピーダンスが無限に大きい理想的な場合、充電電流Ｉ_Ｃ２は直流成分のみを含んでいる。しかし実際の実現においても、充電周波数ｆ２は、少なくとも１けただけクロック周波数ｆ１より低い所にある。典型的には、充電周波数ｆ２はｋＨｚ範囲内で変動し、クロック周波数ｆ１は５０ＭＨｚと３００ＭＨｚの間で変動する。このように低い充電周波数ｆ２では、充電電流Ｉ_Ｃ２と組合わされる磁界Ｈ_ＣＭ４は、周波数減少に比例して低い同相電圧Ｕ_ＣＭ２を生じる。装置全体の双極子状構成の効果は、ｆ２と比較してｆ１の周波数減少の２乗で低下するので、とにかく非常に小さい同相電流Ｉ_ＣＭ２が印刷回路板６内に形成され、大した放射は行われない。従って同相インダクタンス２０及びアンテナ屋根容量２１は、後続の図６では省略されている。

集積回路１３内では、放電電流Ｉ_Ｄ２に伴って現れる磁界Ｈ_ＣＭ３が、大きい周波数割合のため、電界Ｅ_ＣＭ２及び同相電圧Ｕ_ＣＭ１を形成する。従ってアース戻り導線に同相電流Ｉ_ＣＭ１も形成される。電流Ｉ_Ｄ２により囲まれる集積回路１３の面積は、装置１において電流Ｉ_Ｄ１により囲まれる印刷回路板６の面積より著しく小さいので、装置１と比較して著しく減少した放射しか生じない。理想的な供給装置１４を仮定して、装置１及び１２においてそれぞれ検出されすなわち高周波電流Ｉ_Ｃ１及びＩ_Ｄ１又はＩ_Ｄ２により囲まれる面積の比較評価は、約１００００の係数だけ放射の減少を示す。

図５には、装置１３のエネルギ供給の制御のためのブロックダイアグラムが示されている。この制御構想の転換は、集積回路１３のエネルギ供給装置２２の図６に示す別の実施例に含まれている。制御により、回路負荷１７はエネルギ供給のため一定の負荷電圧Ｕ_Ｌを使用可能である。大体においてバス容量１５において降下する電圧の平均値を一定に保つことだけが問題なので、負荷電圧Ｕ_Ｌは供給入力端１６において直接取出すことができ、その際同相インダクタンス１８も場合によっては付加的に存在する結合インダクタンスも無視することができる。

制御装置２２ａは、供給入力端１６に接続されかつ低域インピーダンス２４及び低域容量２５により構成される低域フィルタ２３、比較個所２６、制御器２７及びＶ／Ｉ変換器２８を含んでいる。図６による実施例では、比較個所２６及び制御器２７は電圧を制御される電圧源２９に統合されている。Ｖ／Ｉ変換器２８は、特にクロック周波数ｆ１の範囲で高抵抗の内部インピーダンス３０として実現されている。電圧源２９と高抵抗内部インピーダンス３０の直列回路は、制御装置２２ａの構成部分として構成される供給装置１４を形成している。この直列回路は電流源の模擬である。

図５及び６を参照して、装置２２において使用される制御されるエネルギ供給装置の作用を以下に説明する。第１近似で供給入力端１６にも生じる負荷電圧Ｕ_Ｌは、低域容量２５において負荷電圧Ｕ_ＬＭとして検出され、電圧源２９に統合される比較個所２６へ供給される。所定の基準電圧Ｕ_Ｒからの偏差に応じて、制御器２７が始動されるので、その出力端従って電圧源２９の出力端にも電源電圧Ｕ_Ｑ２が生じる。電源電圧Ｕ_Ｑ２は高抵抗の内部インピーダンス３０により充電電流Ｉ_Ｃ２に変換され、この充電電流がエネルギ供給のため集積回路１３へ供給される。負荷変動又は他の偶然事象のため生じる偏差は、図５によるブロックダイアグラムにおいて、充電電流Ｉ_Ｃ２への外乱量ΔＩの作用によって考慮される。

低域フィルタ２３の適当な設計により制御速度が限定されるので、制御の遷移周波数は回路１３の刻時の基本波（クロック周波数ｆ１）より小さい。特に遷移周波数は少なくとも１けただけクロック周波数ｆ１の下にある。例えば５０ＭＨｚのクロック周波数では、制御が典型的に生じるか又は通過させる最高周波数は、１ＭＨｚより小さいが又はこれに等しい。それにより放射にとって重要な高周波信号成分が印刷回路板６に現れないようにすることができる。

最後に述べたことは、厳密には無限大の内部インピーダンス３０においてのみ当てはまる。しかし実際には内部インピーダンス３０は有限な値を持っているので、充電電流Ｉ_Ｃ２は第１の低周波充電電流成分Ｉ_Ｃ２１と第２の高周波充電電流成分Ｉ_Ｃ２２から構成されている。第１の充電電流成分Ｉ_Ｃ２１はバス容量１５の充電に役立ち、第２の充電電流成分Ｉ_Ｃ２２は、回路負荷１７の同様に高周波の放電電流Ｉ_Ｄ２と共に回路負荷１７へエネルギ供給のために供給される。この場合内部バス容量１５から取出される充電電流Ｉ_Ｃ２は、充電電流回路から取出される高周波の第２の充電電流成分Ｉ_Ｃ２２より明らかに大きい。適当な減衰ａ（ｆ）は次のようになる。

ここでＲ_１は内部インピーダンス３０を示し、Ｃ_Ｂはバス容量を示し、ｆは周波数を示す。この場合内部インピーダンス３０が理想化されて純粋なオーム抵抗として示されてもよいことを仮定している。しかしもっと厳密に考察する場合、寄生並列容量を一緒に考慮すべきである。

並列容量は、それが特に高い周波数において内部インピーダンス３０のオーム成分の低抵抗橋絡部となるので、望ましくない。この影響を最小にするため、内部インピーダンス３０はなるべく複数のインピーダンスの直列接続により実現される。

図７には内部インピーダンス３０の適当な実施例が示されている。これは全部で４つの低容量部分インピーダンス３１，３２，３３，３４とフェライト素子３５から成る直列回路を含んでいる。部分インピーダンス３１〜３４はそれぞれ１つのオーム抵抗３６，３７，３８，３９と並列容量４０，４１，４２，４３を持っている。直列接続される部分抵抗３１〜３４の数が多くなるほど、例えば０．５ｐＦより小さい値を持つ寄生並列容量４０〜４３の望ましくない影響が少なくなる。直列接続される全部で４つの部分インピーダンス３１〜３４は、費用と利用との良好な妥協を生じる。

内部インピーダンス３０の直列回路に同様に含まれるフェライト素子３５は、フェライト抵抗４４及びフェライトインダクタンス４５から成る直列回路と、それに対して並列に設けられるフェライト容量４６を含んでいる。フェライト素子３５と直列に接続される部分インピーダンス３１〜３４は、並列接続されるフェライト容量４６の影響も少なくする。

フェライト素子３５の直流抵抗は実際に０Ωであるが、特にフェライトインダクタンス４５のオーム成分は、高い周波数において、即ちとりわけ搬送周波数ｆ１及びその高調波において、ｋΩ範囲にある所望の高い損失抵抗を生じ、電気回路から熱エネルギへの変換により高い周波数のエネルギを取出す。オーム抵抗３６〜３９は、約１００Ωの総和値を持っている。これらの抵抗は装置全体の橋絡容量を減少し、有効な基本減衰を行う。こうして図７による内部インピーダンス３０は、特に周波数に関係して周波数の上昇と共に増大する総和インピーダンス値を持っている。

部分インピーダンス３１〜３４は、橋絡するフェライト容量４６を、その最初の値の約１／２４の部分に減少する。更にそれらは、装置２２、印刷回路板６及びケーブルハーネス７から成る装置全体の共振周波数をほぼ５倍の周波数に高める。

内部インピーダンス３０の設計の際、できるだけ大きいオーム抵抗値Ｒ_１とまだ適切な費用で実現可能な電源電圧Ｕ_Ｑ２の値との均衡が行われる。すなわち抵抗値Ｒ_１の増大と共に、典型的にｎ×１００ｍＡ範囲にあってもよい必要な電流強さを持つ充電電流Ｉ_Ｃ２を得えるために、一層高い電源電圧Ｕ_Ｑ２も必要になる。例えば逓昇／逓降制御器として構成される制御器２７は、測定される負荷電圧Ｕ_ＬＭ及び電源電圧Ｕ_Ｑ２に対して設計され、これらの電圧の値は典型的に数Ｖ〜数１０Ｖの範囲で変動する。しかしクロック周波数ｆ１において、回路負荷１７に供給される高周波電流のうち、バス容量１５に由来する割合の方が供給装置１４に由来する割合より大きいように、インピーダンス値が高いように、内部インピーダンス３０が常に設計されている。

従来技術による回路のエネルギ供給装置を示す。 図１による装置の等価回路を示す。 本発明による回路のエネルギ供給装置の実施例を示す。 図１による装置の等価回路を示す。 図３及び４によるエネルギ供給装置の制御装置のブロックダイアグラムを示す。 回路の制御されるエネルギ供給のための本発明による装置の実施例を示す。 図６によるエネルギ供給装置の内部インピーダンスの実施例を示す。

Claims (6)

1. 高速刻時集積回路（１３；５１；５２）のエネルギ供給装置であって、集積回路が供給すべき回路負荷（１７）及び回路負荷（１７）に対して並列接続される内部容量（１５）を持ち
   ａ）集積回路（１３；５１；５２）が特に少なくともＭＨｚ範囲にある高いクロック周波 数（ｆ１）を持ち、
   ｂ）特に電流源として構成される供給装置（１４；５６；６１）が、内部容量（１５）に 直接接続され、
   ｃ）供給装置（１４；５６；６１）が内部インピーダンス（３０）を持ち回路負荷（１７ ）に供給される電流（Ｉ_Ｄ２，Ｉ_Ｃ２２）のうち内部容量（１５）による割合の方が 供給装置（１４）による割合より大きいように、内部インピーダンス（３０）のイン ピーダンス値が、クロック周波数（ｆ１）及び特にその高調波において大きい
   エネルギ供給装置。
2. 供給装置（１４；５６；６１）が、電圧源（２９）と内部インピーダンス（３０）から成りかつ電流源として作用する直列回路を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 集積回路（１３；５１；５２）が利用する供給装置（１４；５６；６１）のエネルギを制御する制御装置（２２ａ）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 制御装置（２２ａ）が、内部容量（１５）に接続されて回路（１７）において降下する電圧（Ｕ_Ｌ，Ｕ_ＬＭ）を検出する低域フィルタ（２３）を含んでいることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 供給装置（１４；５６；６１）による供給が、クロック周波数（ｆ１）より低い遷移周波数を有する低域フィルタ特性を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 内部インピーダンス（３０）が、少なくとも１つの低容量インピーダンス（３１，３２，３３，３４）と特に直列接続されるフェライト素子（３５）とを含んでいる、請求項１に記載の装置。

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