JP2019047165A - Differential communication device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、差動通信装置に関する。 The present invention relates to a differential communication device.
差動信号を用いて通信を行う通信システムにおいて、差動信号に直流電力を重畳させて電力を供給する、PoDL(Power over DataLines)、PoE(Power over Ethernet)等と呼ばれる通信システムが知られている。 In communication systems that communicate using differential signals, communication systems called Power over Data Lines (PoDL), Power over Ethernet (PoE), etc. are known that supply power by superimposing DC power on the differential signals. There is.
また、給電回路に接続される2個の給電巻線部と、信号伝送回路に接続される信号巻線部とを含むトランスと、トランスとケーブルとの間に接続されたコモンモードチョークコイルとを有する2線式給電通信装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, a transformer including two feed winding portions connected to the feed circuit, a signal winding portion connected to the signal transmission circuit, and a common mode choke coil connected between the transformer and the cable There is known a two-wire power feeding communication device having the same (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に開示された技術では、2個の給電巻線部はコンデンサを介して直列に接続され、かつコンデンサの一方の端子は、例えば、回路接地電位に接続されている。このように、差動通信路に電源のみを供給する場合には、差動通信路がアンバランスとならないようにするために、差動通信路間にコンデンサ等の回路素子を追加することができる。 In the technique disclosed in Patent Document 1, two feed winding portions are connected in series via a capacitor, and one terminal of the capacitor is connected to, for example, a circuit ground potential. As described above, when only power is supplied to the differential communication path, a circuit element such as a capacitor can be added between the differential communication paths in order to prevent the differential communication paths from becoming unbalanced. .
一方、例えば、車載イーサネット(Ethernet:登録商標)等のように、数10Mbps〜数100Mbpsの高速な信号を伝送する差動通信装置では、差動通信路の各々に、直流電力を重畳させるための回路(レギュレータ回路)が設けられる。この場合、レギュレータ回路に含まれる回路素子のばらつき等により、差動通信路がアンバランスになりイミュニティ性能(対ノイズ性)が低下するという問題がある。 On the other hand, for example, in a differential communication device that transmits high-speed signals of several tens of Mbps to several hundreds of Mbps, such as in-vehicle Ethernet (Ethernet: registered trademark), DC power is superimposed on each of the differential communication paths. A circuit (regulator circuit) is provided. In this case, there is a problem that the differential communication path becomes unbalanced and the immunity performance (anti-noise performance) is lowered due to the variation of the circuit elements included in the regulator circuit.
本発明の実施の形態は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようにする。 The embodiment of the present invention has been made in view of the above problems, and in a differential communication apparatus that performs communication using a differential signal on which direct current power is superimposed, maintaining immunity performance. It is possible to superimpose DC power on the differential signal.
上記の課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る差動通信装置は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置であって、前記差動信号を伝送する外部の信号線と接続するコネクタと、前記通信を行う通信回路と前記コネクタとの間を接続する一対の信号線上に設けられるコモンモードチョークコイルと、前記差動信号に重畳される前記直流電力を給電又は受電する電力回路と、前記一対の信号線の各々に対応して前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に設けられ、前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される容量素子、及び前記電力回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される誘導素子を含む一対のレギュレータ回路と、を有する。 In order to solve the above problems, a differential communication device according to an embodiment of the present invention is a differential communication device which performs communication using a differential signal on which direct current power is superimposed, and the differential signal is A connector connected to an external signal line to be transmitted, a common mode choke coil provided on a pair of signal lines connecting between the communication circuit for performing communication and the connector, and the DC superimposed on the differential signal It is provided between the communication circuit and the common mode choke coil corresponding to each of the pair of signal lines and a power circuit for supplying or receiving power, and between the communication circuit and the common mode choke coil. And a pair of regulator circuits including an inductive element connected between the power circuit and the common mode choke coil.
差動信号を用いて通信を行う差動通信装置では、差動信号のバランスがとれていることが重要であり、アンバランスになるとコモンノイズ成分が差動信号成分に変換されて、通信エラーの要因となる。 In a differential communication device that communicates using differential signals, it is important that the differential signals be well balanced, and if unbalanced, common noise components are converted to differential signal components, causing communication errors It becomes a factor.
そこで、本発明では、差動通信エラーの要因が、コモンモードノイズが差動信号にモード変換されることであることに着目し、コモンモードチョークコイルでコモン成分が除去されて、信号成分が安定した箇所にレギュレータ回路を設ける。これにより、差動通信装置は、差動通信路の安定化(バランス化)を図ることができるので、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。 Therefore, in the present invention, noting that the cause of the differential communication error is that common mode noise is mode converted to a differential signal, the common component is removed by the common mode choke coil and the signal component is stabilized. Provide a regulator circuit at the place where As a result, the differential communication device can stabilize (balance) the differential communication path, so that it is possible to superimpose DC power on the differential signal while maintaining the immunity performance.
本発明の実施の形態によれば、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。 According to the embodiment of the present invention, in a differential communication device that performs communication using a differential signal on which direct current power is superimposed, direct current power can be superimposed on the differential signal while maintaining the immunity performance. It will be.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<差動通信システムの構成>
図1は、一実施形態に係る差動通信システムの構成例を示す図である。差動通信システム100は、直流電力が重畳される差動信号を用いて、第1の通信装置110と第2の通信装置120との間で、例えば、車載イーサネット等の高速通信を行う通信システムである。ここでは、一例として、差動通信システム100が、IEEE802.3buで標準化が進められているPoDL(Power over DataLines)に準拠した通信システムであるものとして、以下の説明を行う。
<Configuration of Differential Communication System>
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a differential communication system according to an embodiment. The
PoDLは、データを伝送する差動信号と直流電力が、例えば、ケーブル130等の一対の信号線を介して、第1の通信装置110と第2の通信装置120との間で伝送される通信システムである。これにより、電力を供給するための電力線が不要となるため、例えば、自動車等の車両内における通信システムとして一般的な技術となることが期待されている。
The PoDL is a communication in which differential signals for transmitting data and DC power are transmitted between the
図1の例では、第1の通信装置110は、給電装置(PSE: Power Sourcing Equipment)として機能し、ケーブル130を介して第2の通信装置120に直流電力を供給することができる。また、第2の通信装置120は、受電装置(PD: Powered Device)として機能し、第1の通信装置110からケーブル130を介して供給される直流電力を受電して、利用することができる。
In the example of FIG. 1, the
(第1の通信装置の構成)
第1の通信装置110は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置の一例であり、コネクタ111、通信回路112、コモンモードチョークコイル113、レギュレータ回路114a、114b、給電回路115、直流電源116等を有する。
(Configuration of first communication device)
The
コネクタ111は、直流電力が重畳される差動信号を伝送する外部の信号線の一例であるケーブル130に、第1の通信装置110を接続するために用いられるインタフェースである。
The
通信回路112は、第2の通信装置120と差動信号を用いて通信を行う回路であり、例えば、通信用のIC(Integrated Circuit)等によって実現される。通信回路112は、例えば、差動信号によるデータの送受信を行う送受信部や、通信を制御する通信制御部等を含み、数10Mbps〜数100Mbps程度の通信速度で、第2の通信装置120と通信を行う。通信回路112は、一対の信号線131a、131bを介して、コネクタ111に接続される。
The
コモンモードチョークコイル113は、通信回路112とコネクタ111との間を接続する一対の信号線131a、131b上に設けられ、一対の信号線131a、131bで伝送される差動信号のコモンモードノイズを抑制する機能を有している。なお、コモンモードチョークコイル113は、コモンモードフィルタ等と呼ばれる場合もある。
The common
差動信号を用いて行う通信(以下、差動通信と呼ぶ)は、外来ノイズやグランド等の影響を受けにくく、一対の信号線の周辺における磁界がキャンセルされるため、不要放射が少ないというメリットがあるため、多くの高速データ通信で用いられている。 Communication using differential signals (hereinafter referred to as differential communication) is less susceptible to external noise, ground, etc., and the magnetic field around the pair of signal lines is canceled, so there is an advantage of less unnecessary radiation. Are used in many high-speed data communications.
しかし、このような差動通信においても、例えば、差動信号を伝送する一対の信号線の非対称や、差動信号に直流電力を供給する一対のレギュレータ回路114a、114bの回路素子のばらつき等により、コモンモードノイズ(同相ノイズ)が発生する場合がある。
However, even in such differential communication, for example, the asymmetry of the pair of signal lines transmitting the differential signal, the variation of the circuit elements of the pair of
このような場合に発生するコモンモードノイズは、差動信号で伝送する通信信号と同じ周波数帯域にも発生するため、周波数分離型のローパスフィルタ等では除去することができない。コモンモードチョークコイル113は、差動信号で伝送する通信信号と、コモンモードノイズとを、伝送モードの違いにより分離し、コモンモードノイズを選択的に抑制する機能を有している。
The common mode noise generated in such a case is also generated in the same frequency band as the communication signal transmitted as a differential signal, and therefore can not be removed by a frequency separation type low pass filter or the like. The common
コモンモードチョークコイル113は、差動信号を伝送する一対の信号線131a、131bに接続される一対のコイルが、例えば、コアに巻かれ、磁気結合された構造を有している。また、一対のコイルの巻き方向は、互いに反対方向になっている。
The common
これにより、コモンモードチョークコイル113にコモンモードノイズが入力されると、一対のコイルに発生する磁束は互いに強めあい、コモンモードチョークコイル113は、高いインピーダンスを発生してコモンモードノイズの通過を妨げる。一方、コモンモードチョークコイル113に差動信号が入力されると、一対のコイルに発生する磁束がキャンセルされ、コモンモードチョークコイル113は高いインピーダンスを発生せず、差動信号を通過させる。
Thus, when common mode noise is input to common
給電回路(電力回路の一例)115は、一対の信号線131a、131bに重畳される直流電力を給電する回路である。給電回路115は、直流電源116から出力される直流電圧を用いて、一対の信号線131a、131bに、一対のレギュレータ回路114a、114bを介して直流電力を供給する。
The feed circuit (an example of a power circuit) 115 is a circuit that feeds DC power superimposed on the pair of
レギュレータ回路114a、114bは、差動信号を伝送する一対の信号線131a、131bの各々に対応して通信回路112とコネクタ111との間に設けられ、給電回路115が、一対の信号線131a、131bに直流電力を供給するために用いられる。
The
一対のレギュレータ回路114a、114bは、それぞれ、通信回路112とコモンモードチョークコイル113との間に接続されるコンデンサ117と、給電回路115とコモンモードチョークコイル113との間に接続されるインダクタ118とを有する。
The pair of
コンデンサ(容量素子)117は、通信回路112が通信に用いる通信信号を通過させるとともに、給電回路115が供給する直流電力を遮断する。また、インダクタ(誘導素子)118は、給電回路115が供給する直流電力を通過させるとともに、通信回路112が通信に用いる通信信号を遮断する。
The capacitor (capacitive element) 117 passes the communication signal used by the
なお、例えば、車載イーサネット等のように、数10Mbps〜数100Mbps程度の高速な通信を行う差動通信システム100では、コンデンサ117の容量値が小さい方が望ましく、例えば、数pF程度の低い容量値の部品が用いられる。これは、レギュレータ回路114a、114bのコンデンサ117の浮遊容量が大きい場合に信号品質が劣り、イミュニティ特性が劣化するためである。
For example, in the
このように、第1の通信装置110は、コネクタ111と通信回路112が、コモンモードチョークコイル113、及び一対のレギュレータ回路114a、114bを介して接続されている。
As described above, in the
また、上記の構成により、第1の通信装置110は、ケーブル130を介して、第2の通信装置120と差動信号を用いて通信を行うとともに、第2の通信装置120に直流電力を供給することができる。
Further, according to the above configuration, the
(第2の通信装置の構成)
第2の通信装置120は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置の別の一例であり、コネクタ121、通信回路122、コモンモードチョークコイル123、レギュレータ回路124a、124b、受電回路125等を有する。なお、第2の通信装置120は、基本的に第1の通信装置110と同様の構成を有しているので、ここでは、同様の構成に対する詳細な説明は省略する。
(Configuration of second communication device)
The
コネクタ121は、第1の通信装置110のコネクタ111に対応しており、ケーブル130に、第2の通信装置120を接続するために用いられるインタフェースである。
The
通信回路122は、第1の通信装置110の通信回路112に対応しており、第1の通信装置110と差動信号を用いて通信を行う回路である。通信回路122は、一対の信号線132a、132bを介して、コネクタ121に接続される。
The
コモンモードチョークコイル123は、第1の通信装置110のコモンモードチョークコイル113に対応しており、通信回路122とコネクタ121との間を接続する一対の信号線132a、132b上に設けられている。
The common
受電回路(電力回路の別の一例)125は、一対の信号線131a、131bに重畳される直流電力を受電する回路である。受電回路125は、第1の通信装置110によって、ケーブル130に給電された直流電力を受電して、第2の通信装置120で利用できるようにする。
The power receiving circuit (another example of the power circuit) 125 is a circuit that receives DC power superimposed on the pair of
レギュレータ回路124a、124bは、第1の通信装置110のレギュレータ回路114a、114bに対応している。レギュレータ回路124a、124bは、差動信号を伝送する一対の信号線132a、132bの各々に対応して通信回路122とコネクタ121との間に設けられ、受電回路125が、一対の信号線132a、132bに重畳された直流電力を受電するために用いられる。一対のレギュレータ回路124a、124bは、第1の通信装置110のレギュレータ回路114a、114bと同様に、コンデンサ117と、インダクタ118とを含む。
The
このように、第2の通信装置120は、コネクタ121と通信回路122が、コモンモードチョークコイル123、及び一対のレギュレータ回路124a、124bを介して接続されている。
Thus, in the
また、上記の構成により、第2の通信装置120は、ケーブル130を介して、第1の通信装置110と差動信号を用いて通信を行うとともに、第1の通信装置110から供給される直流電力を利用することができる。
Further, according to the above configuration, the
このように、本実施形態に係る差動通信システム100では、差動信号に直流電力が重畳されるため、第1の通信装置110と第2の通信装置120との間の電力線を省略することができる。
As described above, in the
一方、直流電力が重畳される差動信号は、バランスがとれていることが重要であり、例えば、一対のレギュレータ回路114a、114bの回路素子にばらつきがある場合、コモンモードノイズが差動信号成分に変換されて、通信エラーの要因となる。
On the other hand, it is important for differential signals on which DC power is superimposed to be balanced. For example, when the circuit elements of the pair of
そこで、本実施形態に係る差動通信装置(110、120)は、コモンモードチョークコイル(113、123)にてコモン成分が除去され、信号成分が安定した箇所にレギュレータ回路(114a、114b、124a、124b)を接続する。これにより、差動通信装置(110、120)は、差動通信路の安定化(バランス化)を図ることができ、しいては通信性能を向上させることができる。 Therefore, in the differential communication device (110, 120) according to the present embodiment, the common component is removed by the common mode choke coil (113, 123), and the regulator circuit (114a, 114b, 124a) is disposed in the place where the signal component is stabilized. , 124b). As a result, the differential communication device (110, 120) can achieve stabilization (balance) of the differential communication path, and can improve communication performance.
以上、本実施形態に係る差動通信装置(110、120)によれば、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置(110、120)において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。 As described above, according to the differential communication device (110, 120) according to the present embodiment, the immunity performance is maintained in the differential communication device (110, 120) performing communication using a differential signal on which direct current power is superimposed. While this, it becomes possible to superimpose DC power on the differential signal.
(イミュニティ特性の例)
次に、本実施形態に係る差動通信装置のイミュニティ性能について説明する。なお、ここでは、差動通信装置が第1の通信装置110であるものとして説明を行うが、第2の通信装置120についても同様である。
(Example of immunity characteristic)
Next, the immunity performance of the differential communication device according to the present embodiment will be described. Although the differential communication device is described here as the
図2は、一実施形態に係るコモンモードチョークコイルの特性の一例を示す図である。この図は、コモンモードチョークコイル113のMix Mode Sパラメータを用いた性能の一例のイメージを示している。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the characteristics of the common mode choke coil according to an embodiment. This figure shows an image of an example of the performance of the common
Mix Mode Sパラメータは、コモン成分/差動成分の通過/反射特性を示すパラメータであり、Sdc21は、一方のポートから他方のポートへ差動信号が伝わる際に、コモン成分が差動成分に変換される量を示す。 The Mix Mode S parameter is a parameter that indicates the pass / reflection characteristics of the common component / differential component, and Sdc21 converts the common component into a differential component when a differential signal is transmitted from one port to the other port. Indicates the amount of
図2の例では、10MHz〜200MHzの周波数範囲において、コモンモードチョークコイル113を通過することにより、コモン成分が差動成分に変換される量が、30dB〜40dB程度、低減されることが示されている。
In the example of FIG. 2, it is shown that the amount by which the common component is converted to the differential component is reduced by about 30 dB to 40 dB by passing the common
図3は、一実施形態に係るレギュレータ回路の追加による影響の一例を示す図である。図3(a)は、例えば、コモンモードチョークコイル113が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路がない場合のMix Mode SパラメータSdc(S11)の一例を示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the influence of the addition of the regulator circuit according to an embodiment. FIG. 3A shows an example of Mix Mode S parameter Sdc (S11) in the case where there is no regulator circuit in the differential communication device for comparison in which the common
また、図3(b)は、例えば、コモンモードチョークコイル113が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路を搭載した場合のMix Mode SパラメータSdc(S11)一例を示している。
Further, FIG. 3B shows an example of Mix Mode S parameter Sdc (S11) in the case of mounting a regulator circuit in a differential communication device for comparison in which the common
このように、通信装置にレギュレータ回路を搭載すると、レギュレータ回路が搭載されていない場合に比べて、コモン成分が差動成分に変換されるノイズ成分が増加することが判る。これは、差動通信を行う一対の通信路の各々と、グランド電位との間のインピーダンスに差があると、受信側で受け取るコモンモード電圧に差が発生し、差動通信を行う一対の通信路の間にノイズの電圧が発生するためである。 As described above, when the regulator circuit is mounted in the communication device, it is understood that the noise component in which the common component is converted into the differential component is increased as compared with the case where the regulator circuit is not mounted. This is because if there is a difference in impedance between each of the pair of communication paths performing differential communication and the ground potential, a difference occurs in the common mode voltage received on the receiving side, and the pair of communication performing differential communication This is because a voltage of noise is generated between the paths.
図4は、一実施形態に係るイミュニティ性能の改善の一例を示す図である。図4(a)は、図3(a)と同様に、例えば、コモンモードチョークコイル113が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路がない場合のMix Mode SパラメータSdc(S11)の一例を示している。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of improvement of immunity performance according to an embodiment. FIG. 4 (a) shows, as in FIG. 3 (a), for example, the Mix Mode S parameter Sdc (S11) in the case where the regulator circuit is not provided in the comparative differential communication device in which the common
また、図4(b)は、図1に示す本実施形態に係る第1の通信装置110のように、コモンモードチョークコイル113の後段に、一対のレギュレータ回路114a、114bを設けた場合のMix Mode SパラメータSdc(S11)の一例を示している。
Further, FIG. 4 (b) is a block diagram of the
このように、本実施形態に係る第1の通信装置110によれば、レギュレータ回路を搭載することにより発生する、コモン成分から差動成分へ変換されるノイズ成分の増加が抑制され、レギュレータ回路がない場合と同様のイミュニティ特性が得られることが判る。
As described above, according to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、様々な変形や変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment, In the range of the summary of this invention described in the claim, various deformation | transformation and change are possible It is possible.
100 差動通信システム
110 第1の通信装置(差動通信装置の一例)
120 第2の通信装置(差動通信装置の別の一例)
130 ケーブル(外部の信号線)
111 コネクタ
112 通信回路
117 コンデンサ(容量素子)
118 インダクタ(誘導素子)
131a、131b 一対の信号線
132a、132b 一対の信号線
113、123 コモンモードチョークコイル
115 給電回路(電力回路の一例)
125 受電回路(電力回路の別の一例)
114a、114b 一対のレギュレータ回路
124a、124b 一対のレギュレータ回路
100
120 Second Communication Device (Another Example of Differential Communication Device)
130 cable (external signal line)
111
118 Inductor (Inductive element)
131a and 131b a pair of
125 Power receiving circuit (another example of power circuit)
114a, 114b a pair of
Claims (1)
前記差動信号を伝送する外部の信号線と接続するコネクタと、
前記通信を行う通信回路と前記コネクタとの間を接続する一対の信号線上に設けられるコモンモードチョークコイルと、
前記差動信号に重畳される前記直流電力を給電又は受電する電力回路と、
前記一対の信号線の各々に対応して前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に設けられ、前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される容量素子、及び前記電力回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される誘導素子を含む一対のレギュレータ回路と、
を有する、差動通信装置。 A differential communication device that performs communication using a differential signal on which direct current power is superimposed,
A connector connected to an external signal line for transmitting the differential signal;
A common mode choke coil provided on a pair of signal lines connecting between the communication circuit performing the communication and the connector;
A power circuit for feeding or receiving the DC power superimposed on the differential signal;
A capacitive element provided between the communication circuit and the common mode choke coil corresponding to each of the pair of signal lines and connected between the communication circuit and the common mode choke coil, and the power circuit A pair of regulator circuits including an inductive element connected between the and the common mode choke coil;
, A differential communication device.
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