JP2013128270A - 低コモンモードemi放射で単一電源の3レベルブリッジドライバ - Google Patents

低コモンモードemi放射で単一電源の3レベルブリッジドライバ Download PDF

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Abstract

【課題】単一電源を有し、無線信号を低いコモンモード電磁妨害(EMI)放射で送信する回路を提供する。
【解決手段】受電端子間に配置され、情報信号を外部回路に無線送信する共振回路、前記共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む異なるレベルの方形波電圧信号を結合するように構成配置されたスイッチング回路、及び前記スイッチング回路と一緒に、前記受電端子の各々からDC電流通路を除去して前記受電端子で受電される電力を中レベルの電圧信号に導くように構成配置された別の回路、を備えることを特徴とする。この回路は対称回路構成の結果として40dB以上のコモンモード減衰を達成できる。送信回路及び受信回路を含むシステム及びシステムを使用する方法も含まれる。
【選択図】図2

Description

方形波ドライバは高い効率(低い電力消費)で実現できるので高周波数識別(RFID)アンテナを駆動するのに使用されている。更に、方形波ドライバはQファクタが高く、損失エネルギー対蓄積エネルギー比が低いために有用である。アンテナ共振器の高いQファクタは方形波のひずみ高調波を十分に高い減衰で除去することができる。
いくつかの実施形態によれば、本発明は2つの受電端子間に位置する共振回路と電源端子から異なるレベルの方形波電圧信号を結合するスイッチング回路とを含む回路に関する。上レベル、下レベル及び中レベルの電圧信号を含む方形波電圧信号が共振回路にエネルギーを供給し、共振回路が外部回路への情報信号の無線送信を生じる。加えて、スイッチング回路ととともに受電端子の各々から直流電流通路を除去し、受電端子で受電される電力を中レベルの電圧信号に導くように設計された別の回路を含む。
本発明は、送信回路及び受信回路を含むシステムにも関する。送信回路は情報信号を送信するように設計され、送信共振回路及びスイッチング回路を含む。送信共振回路は受電端子間に配置され、送信回路の情報信号を無線送信するように設計される。送信回路のスイッチング回路は、送信共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために電源端子から3つの異なるレベルの方形波電圧信号(上レベル、下レベル及び中レベルの電圧信号)を結合する。送信回路は、スイッチング回路と一緒に受電端子の各々から直流電流通路を除去するように構成された別の回路を含む。直流電流通路の除去によって受電端子で受電される電力を中レベルの電圧信号に導くことができる。本システムは、情報信号を無線受信するように構成配置された受信共振回路を用いて情報信号を受信するように設計された受信回路、及び送信回路の正当性を確認するように設計された識別回路も含む。
本発明の別の態様は、送信回路及び受信回路を含むシステムを使用する方法に関する。本方法は、送信回路を用いて情報信号を送信するステップを含む。この送信は送信共振回路、スイッチング回路及び別の回路を用いる。送信共振回路は、受電端子間に配置され、情報信号を外部回路に無線送信する。本方法で使用されるスイッチング回路は、送信共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む異なるレベルの方形波電圧信号を結合する。送信回路は、スイッチング回路と一緒に、受電端子の各々からDC電流通路を除去して前記受電端子で受電される電力を中レベル電圧信号に導くように構成された別の回路も含む。本方法は、送信された情報信号を受信回路により受信するステップを含む。受信回路は、例えば情報信号を無線受信する受信共振回路及び送信回路の正当性を確認するために使用される識別回路を含む。
以上の考察は各種の実施形態又はあらゆる実装を説明することを意図していない。
添付図面と関連して以下に記載される詳細な説明を考慮すると様々な例示的実施形態をより完全に理解することができる。
本発明の例示的実施形態によるトランシーバ及びトランスポンダのシステム構成図を示す。 本発明の例示的実施形態による送信及び受信回路の回路レベルのシステム構成図を示す。 本発明による回路の例示的実施形態の回路レベル図を示す。 本発明による回路の別の例示的実施形態の回路レベル図を示す。 例示的帰還ループを含む本発明の例示的回路の回路図を示す。 別の例示的帰還ループを含む本発明の例示的回路の回路図を示す。 本発明による方形波ドライバの例示的タイミング図を示す。 ブレイク・ビフォア・メイク保護を含む本発明による回路を示す。
本発明は様々な変更及び変形が可能であるが、本発明のいくつかの実施形態が図面に例示され、詳細に記載される。しかしながら、本発明は図示され及び/又は詳述される特定の実施形態に限定されるものではない。反対に、本発明は開示される発明の精神及び範囲に含まれるすべての変更例、同等例及び代替例をカバーするものである。
本発明の態様は、信号の無線送信に伴うコモンモード電磁妨害(EMI)放射が低いブリッジドライバ回路のための様々なタイプのデバイス、システム及び装置に該当する。本発明は必ずしもそのように限定されるものではないが、この事情から様々な例を検討することにより本発明の様々な態様を認識することができる。
一つ以上の実施形態によれば、様々な例示的実施形態は、最大振幅で動作される際に理論的に零のコモンモードEMI放射を達成することができる回路、システム及び方法に関する。回路、システム又は方法において、受信電力を平均化することによってEMI放射に影響を与えない直流成分のみを有効に維持し、40dB以上のコモンモード減衰を得ることができる。
一つの例示的実施形態においては、信号は送信回路及び受信回路を含む。送信回路は情報信号を送信するように設計される。送信回路は送信共振回路及びスイッチング回路を含む。送信共振回路は受電端子間に配置され、送信回路の情報信号を無線送信するように設計される。いくつかの特定の実施形態においては、送信共振回路は約50KHz〜約150KHzの動作周波数を有する。本発明による送信回路のスイッチング回路は、情報信号の無線送信を生じさせる共振回路にエネルギーを供給するために、電源端子から3つの異なるレベルの方形波電圧信号(上位レベル、低位レベル及び中位レベルの電圧信号)を結合するように構成配置される。いくつかの実施形態においては、送信回路は40dB以上のコモンモード減衰を達成する。送信回路は、スイッチング回路と一緒に配置構成され、受電端子の各々からDC電流通路を除去するように設計された別の回路も含む。DC電流通路の除去は受電端子で受電される電力を中位レベル電圧信号へと導く。
本実施形態においては、システムは情報信号を受信するように設計された受信回路も含む。受信回路は情報信号を無線で受信するように構成配置された受信共振回路と送信回路の正当性を確認するように設計された識別回路を含む。
いくつかの特定の実施形態においては、上記システムはオーディオ増幅器に組み込むことができる。更に、別の例示的実施形態においては、システムは受動キーレスエントリ装置に使用することができる。更に別の実施形態においては、この送信回路及び受信共振回路は非接触充電システムに使用される。
本発明の別の例示的実施形態においては、共振回路を含む回路が考案される。共振回路は2つの受電端子の間に配置され、情報信号を外部回路へ無線送信するように設計される。この共振回路も約50〜約150KHzの動作周波数を有することができる。
電源端子から異なるレベルの方形波電圧信号を結合するスイッチング回路も含めることもできる。いくつかの実施形態においては、スイッチング回路は2つの電源端子を含む。方形波電圧は上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含み、共振回路を流れるエネルギーをもたらし、情報信号の無線送信を生じさせる。いくつかの特定の実施形態においては、スイッチング回路は回路の中レベル電位を安定化するように構成された帰還ループを更に含む。スイッチング回路はいくつかの実施形態においては少なくとも1つのスイッチを含む。別の回路は、スイッチング回路と一緒に、受電端子の各々からDC電流通路を除去して、受電端子で受信される電力を中位レベル電圧信号に導くように構成配置される。
ここに記載する回路のいくつかの特定の実施形態においては、回路のコモンモード電磁妨害(EMI)放射はほぼゼロである。他の実施形態においては、回路は40dB以上のコモンモード減衰を達成する。いくつかの特定の実施形態においては、スイッチング回路はブレイク・ビフォア・メイク間隙を生成するためにスイッチング中に一次休止するように設計される。更に、スイッチング回路は比例積分微分コントローラ(PIDコントローラ)を用いて更に制御することができ、更に他の実施形態においては、スイッチング回路は混合信号コントローラにより制御することもできる。
本発明は、送信回路及び受信回路を含むシステムを使用する方法にも関する。ここに記載する実施形態の方法は送信回路を用いて情報信号を送信することを特徴とする。情報信号の送信は送信共振回路(約50KHz〜150KHzの動作周波数を有し得る)、スイッチング回路および別の回路を含む送信回路の構成要素によって達成される。送信共振回路は受電端子の間に配置され、情報信号を無線送信する。本実施形態に使用されるスイッチング回路は、共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から3つの異なるレベルの方形波電圧信号を結合するように構成配置される。3つの異なるレベルの方形波電圧信号は上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む。本方法で使用する送信回路は、スイッチング回路と一緒に構成配置され、受電端子の各々からDC電流通路を除去することによって受電端子で受信される電力を中レベル電圧信号に導くように設計された別の回路も含む。
本実施形態の方法は、情報信号を受信回路で受信することを特徴とする。受信回路は信号を無線で受信する受信共振回路及び送信回路の正当性を確認する識別回路を含む。いくつかの実施形態においては、本方法は40dB以上のコモンモード減衰を達成する。
次に図面につき説明すると、図1は本発明によるシステムの例示的実施形態を示す。図1は、送信装置150と受信装置100との間のエネルギー及びデータの交換を示す。
図2は本発明の例示的実施例によるシステムを示す。図2は送信回路205及び受信回路295を示す。図2の送信回路205は情報信号を送信するように設計される。送信回路205は受電端子230の間に配置された送信共振回路220を含み、送信回路205の情報信号を無線送信するように設計される。いくつかの特定の実施形態では、送信共振回路220は約50KHz〜150KHzの動作周波数を有する。
図2に示される、システムの一部分としての送信回路は様々な基本回路形態のスイッチング回路も含む。これらの形態は好ましい実装又は用途に応じて変えることができる。例えば、図2に示すスイッチ制御ブロックは(プログラムドマイクロコンピュータ及び/又は個別の論理要素などを用いて)論理回路として実装することができ、このような論理回路はスイッチング回路(例えばスイッチ240)及び別の回路セクション(例えばp型トランジスタ、n型トランジスタ及びスイッチコントロール)を備える複数のセクションとして実装されるスイッチング回路を含むものとみなすことができる。
第1の構成はスイッチング回路240および250として示され、このスイッチング回路は、送信共振回路220にエネルギーを供給するために、電源端子200/210から3つの異なるレベルの方形波電圧信号(上レベル、低レベル(250により生じる)及び中レベル(240により生じる)電圧信号)を結合するように設計される。いくつかの実施形態では、送信回路は40dB以上のコモンモード減衰を達成する。送信共振回路220に供給されたエネルギーは情報信号の無線送信を生じる。
このようなスイッチング回路の別の構成は図2の送信回路に示されている。図に示されるように、このスイッチング回路は受電端子230の各々からDC電流通路を除去するように構成配置された別の回路(例えばp型トランジスタ及びn型トランジスタ、スイッチ240及びスイッチコントロール)を含む。DC電流通路の除去は受電端子230で受電される電力を中レベルの電圧信号に導く。図2に示されるシステムは情報信号を受信するように設計された受信回路295も含む。受信回路295は情報信号を無線で受信する受信共振回路280を含む。更に、受信回路295は送信回路205の正当性を確認する識別回路290を内蔵する。
図3は本発明による回路を示す。図3の回路はコモンモード電磁妨害(EMI)放射をほぼゼロに維持し、40dB以上のコモンモード減衰を達成する。図3に示される回路は2つの受電端子330の間に配置された共振回路320を含む。共振回路320(約50KHz〜150KHzの動作周波数を有する)は情報信号を外部回路に無線送信するように設計されている。図3に示される回路は、電源端子300/310から異なるレベルの方形波電圧信号(上レベル、低レベル(両方とも350により生じる)及び中レベル(340により生じる)電圧信号)を結合するように設計される。スイッチ回路340はいくつかの実施形態では少なくとも1つのスイッチを含む。いくつかの実施形態では、本回路は2つの電源端子100/310を含む。方形波電圧信号が共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じる。更に、図3に示す実施形態には、スイッチ回路340と一緒に受電端子330の各々からDC電流通路を除去して受電端子330で受電される電力を中レベル電圧信号に導くように設計された別の回路が含まれる。
場合によっては、スイッチング回路はブレイク・ビフォア・メイク間隙を生成するためにスイッチング中に一次休止するように設計される。更に、スイッチング回路は比例積分微分コントローラ(PIDコントローラ)を用いて付加的に制御することができ、他の実施形態では、スイッチング回路は混合信号コントローラにより制御することができる。
図3から明らかなように、共振回路320の両端間のゼロ電圧状態は受電端子(V+及びV−)330の間を短絡すれば十分である。それゆえ、回路の受電端子330は必ずしもVmidに結合されない。両受電端子330が短絡されると、共振回路320に対して得られる波形は図6に示す形になる。しかし、両受電端子330が短絡される時間インターバル中、ドライブピンの電位は不確定になる。もっと具体的に言うと、スイッチングインターバル中の電位を規定するDC電流通路が存在しないが、得られる電位は最後には中間電位(VDDの半分)に近い値になる。得られる電位が中間電圧に近い値になるのは、回路を対称に構成する結果として受電端子330(V+及びV−)における寄生キャパシタンス(接地に対するケーブルキャパシタンスを含む)がほぼ等しくなるためである。従って、再び図3につき説明すると、スイッチング回路340を閉じると、一方の寄生キャパシタンスがVDDに放電され、他方の寄生キャパシタンスがVSS(接地)に放電される。更に、コモンモード電位は両キャパシタンスがスイッチング回路340により接続されるとき、VDDの約半分になる。
図4は本発明による回路の別の実施形態を示す。ほぼ零のコモンモード電磁妨害(EMI)放射を達成する図4に示す回路には、受電端子430からDC電流通路を除去するためにスイッチング回路440/450/460が構成配置されている。図示の回路は40dB以上のコモンモード減衰を達成する。図4に示す回路はスイッチング回路に含められた2つのスイッチ440/460を有する。図4に示すスイッチング回路440/460は電源端子400/410から3つの異なるレベルの方形波信号を結合するように設計される。3つの異なるレベルは上レベル、低レベル(450により駆動される)及び中レベル(440及び460を閉じることにより駆動される)電圧信号を含む。スイッチング回路440/460の第2のスイッチ460は安定化のために回路を中間電圧470に接続するように設計される。更に、回路は受電端子430の間に配置された共振回路420を含む。共振回路420は情報信号を外部回路に無線送信するように設計される。図4に示す共振回路は約50KHz〜約150KHzの動作周波数を有する。電源端子400/410からの方形波電圧信号は共振回路420にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせる。
電位は、図4に示す中間電位Vmidへの第2の接続を行うことによって更に規定することができる。図4に示す両スイッチ440/460を閉じると、共振回路420の電流の主要部分は受電端子(V+及びV−)430の間の通路440を経て流れる。この電流の小量が通路460を経て流れる(中間電位への影響は最低限である)。従って、スイッチ460はスイッチ440より遥かに大きいオン抵抗値を有することができる。
図5A及び5Bは本発明による別の回路を示す。図5A及び5Bに示す回路は、受電端子530の間に配置された共振回路520(約50KHz〜約150KHzの動作周波数を有する)を含む。共振回路520は共振回路にエネルギーを送り込むことによって電源端子500/510から発生される方形波電圧信号に応答して情報信号を外部回路に無線送信する。図5A及び5Bに示す回路は異なるレベルの方形波電圧信号(上レベル、低レベル(550により駆動される)及び中レベル(540により生じる)電圧信号)を結合するスイッチング回路540/550含む。図5A及び5Bは、(Vmidノードにもたらされるオフセットが電荷注入のために大きくなり得る)回路の中間電位560を更に安定化するための帰還ループ570も示す。図5A及び5Bに示す回路のスイッチング回路540は2つのスイッチを含む。図5Aに示すように、スイッチング回路540の2つのスイッチはスタガ配置にすることができ、また図5Bに示すように、スイッチング回路540の2つのスイッチは直列に配置することができる(完全な対称が望まれる場合)。図5A及び5Bの両回路において、スイッチング回路540の第2のスイッチは回路を中間電位560に結合する。図5A及び5Bの両回路において、回路のコモンモード電磁妨害(EMI)放射はほぼ零であり、コモンモード減衰は40dB以上のレベルで達成される。
電磁環境両立性(EMC)規則は、RFID送信機の出力振幅は振幅制御できることを要求している。振幅を制御する一つの方法はドライバのプログラマブル電源電圧を与えるものである。プログラマブル電源電圧は費用がかかるうえ、典型的には5〜10の比較的小さいVDD,max/VDD,min比(14dB〜20dBのコモンモード減衰)が達成されているにすぎない。RFID送信機の振幅を制御する別の方法はドライバ出力パルスの幅及び/又は位相を変化させるものである。この変調法はアンテナ共振器がアクティブに駆動されるときより短い時間インターバルをもたらすことになる。
上述の実施形態に与えられる3レベル方形波電圧信号は図6に示すことができる。図6に示すように、ドライバパターンは1ドライブ周期につきVDDの半分の振幅を有する4つのステップを有する(両ドライバ出力を3レベルで動作させる)。このように、平均値が正確にVmidである出力信号が送出され、従って残留コモンモードEMI放射は生じない。
スイッチングRFIDドライバ回路の実装において短い時間間隔を含めることができる。この短い時間間隔は「ブレイク・ビフォア・メイク」として特徴づけることができる。このブレイク・ビフォア・メイク間隔は共振回路を駆動するモードと回路を短絡するモードとの間に位置させることができ、逆の場合も同様である。ブレイク・ビフォア・メイク時間間隔を含めないと、電源からトランジスタのみからなる通路を経て流れる過大電流が生じ得る。ブレイク・ビフォア・メイク間隔中、2つの通路が導通しないため、過大電流を避けることができる。
また、ブレイク・ビフォア・メイク間隙を接続しないと、共振回路のアンテナコイルを流れる電流を生じ、高電圧を発生し得る。発生される高電圧は回路の保護手段(もし含まれていれば)が活性化されるまで増加できるだけで、このような保護が存在しない場合にはドライバトランジスタを損傷し得る。更に、この高電圧は共振回路に蓄積されたエネルギーのかなりの部分を失わせ、アンテナ電流に歪みを生じさせる。
本発明の別の態様によれば、(例えば図7に示すように)受電端子間の共振回路に並列に(オプションの抵抗Rpと直列に)小さいキャパシタCpが付加される。小さいブレイク・ビフォア・メイク間隙中にキャパシタ(Cp)がアンテナ電流を通電し、それによりアンテナコイルにより発生される過大電圧が回避される。直列抵抗(Rp)は、もしあれば、ドライバが再び活性化される際に並列キャパシタ(Cp)を充電する電流を制限する。
以上の考察及び説明に基づいて、当業者は本明細書に図示され説明された例示的実施形態に厳密に従わずに様々な変更や変形を成すことができることを容易に理解されよう。更に、異なる実施形態の様々な特徴は様々な組み合わせで実装することが可能である。このような変更は本開示の精神及び範囲から逸脱するものではなく、後記の特許請求の範囲に記載される制振及び範囲に含まれるものである。

Claims (19)

  1. 受電端子間に配置され、情報信号を外部回路に無線送信する共振回路、
    前記共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む異なるレベルの方形波電圧信号を結合するように構成配置されたスイッチング回路、及び
    前記スイッチング回路と一緒に、前記受電端子の各々からDC電流通路を除去して前記受電端子で受電される電力を中レベルの電圧信号に導くように構成配置された別の回路、
    を備えることを特徴とする回路。
  2. 前記方形波電圧信号は2つの電源端子により供給される、請求項1記載の回路。
  3. 前記回路のコモンモード電磁妨害(EMI)放射がほぼ零である、請求項1記載の回路。
  4. 40dB以上のコモンモード減衰が達成される、請求項1記載の回路。
  5. 前記スイッチング回路は前記回路の中間電位を安定化するように構成は位置された帰還ループを更に含む、請求項1記載の回路。
  6. 前記スイッチング回路は少なくとも一つのスイッチを含む、請求項1記載の回路。
  7. 前記共振回路は50KHz〜150KHzの動作周波数を有する、請求項1記載の回路。
  8. 前記スイッチング回路はブレイク・ビフォア・メイク間隙を生成するためにスイッチング中に一次停止する、請求項1記載の回路。
  9. 前記スイッチング回路を制御する比例積分微分コントローラ(PIDコントローラ)を更に含む、請求項1記載の回路。
  10. 前記スイッチング回路を制御する混合信号コントローラを更に含む、請求項1記載の回路。
  11. 情報信号を送信するように構成配置された送信回路及び前記情報信号を受信するように構成配置された受信回路を備えるシステムであって、
    前記送信回路は、
    受電端子間に配置され、情報信号を外部回路に無線送信する送信共振回路、
    前記共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む異なるレベルの方形波電圧信号を結合するように構成配置されたスイッチング回路、及び
    前記スイッチング回路と一緒に、前記受電端子の各々からDC電流通路を除去して前記受電端子で受電される電力を中レベル電圧信号に導くように構成配置された別の回路を含み、
    前記受信回路は、
    前記情報信号を無線受信するように構成配置された受信共振回路、及び
    前記送信回路の正当性を確認するように構成配置された識別回路を含む、
    ことを特徴とするシステム。
  12. 前記送信回路及び前記受信共振回路はオーディオ増幅器に組み込まれている、請求項11記載のシステム。
  13. 前記送信回路及び前記受信共振回路は受動キーレスエントリ装置に組み込まれている、請求項11記載のシステム。
  14. 前記送信回路及び前記受信共振回路は非接触充電システムに組み込まれている、請求項11記載のシステム。
  15. 前記共振回路は50KHz〜150KHzの動作周波数を有する、請求項11記載のシステム。
  16. 40dB以上のコモンモード減衰が達成される、請求項11記載のシステム。
  17. 送信回路及び受信回路を含むシステムを使用する方法であって、該方法は、
    前記送信回路を用いて情報信号を送信するステップを備え、前記送信回路は、
    受電端子間に配置され、情報信号を外部回路に無線送信する共振回路、
    前記共振回路にエネルギーを供給して情報信号の無線送信を生じさせるために、電源端子から上レベル、低レベル及び中レベルの電圧信号を含む異なるレベルの方形波電圧信号を結合するように構成配置されたスイッチング回路、及び
    前記スイッチング回路と一緒に、前記受電端子の各々からDC電流通路を除去して前記受電端子で受電される電力を中レベル電圧信号に導くように構成配置された別の回路を含み、
    前記受信回路を用いて前記情報信号を受信するステップを備え、前記受信回路は、前記情報信号を無線受信するように構成配置された受信共振回路及び前記送信回路の正当性を確認するように構成配置された識別回路を含む、
    ことを特徴とする方法。
  18. 前記共振回路は50KHz〜150KHzの動作周波数を有する、請求項17記載の方法。
  19. 40dB以上のコモンモード減衰が達成される、請求項17記載の方法。
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