JP3283964B2 - モデムサージ保護回路およびサージ保護方法 - Google Patents
モデムサージ保護回路およびサージ保護方法Info
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Description
タルアイソレーション付モデム(MODEM WITH DIGITAL I
SOLATION) 」と表題をつけられ、共通の譲受人に譲渡さ
れた、同時出願の米国特許出願に関する。
高レベルの、かつ高速に上昇するサージを感知したとき
に電源および/または電話回線システムから絶縁する。
間をインタフェースするデータアクセス装置(DAA)
は、新式の「クレジットカード状の」最小モデムカード
には大きすぎかつ重すぎる絶縁変圧器を使用している。
イズは縮小しつつある。モデムは、すべてのラップトッ
プ/パームトップコンピュータにとって不可欠な部分と
なってきている。これらのコンピュータは小型であるた
め、大きさと重量とが重んじられる。データ速度が増す
につれて、歪みを最小限に抑えることが絶対に必要であ
る。歪みは、高速モデムを制限する要素である。
が、それはまた、歪みを導入し、回路面積を消費し、か
つモデム部分の最も重い部分である。ポータブルコンピ
ュータの場合、重量を最小にすることは優先度の高い条
件である。
ることによって、絶縁変圧器を排除したモデムもある。
しかしながら、歪みとコストと複雑性とが、本当の問題
点として残っている。
回路は小さいだけでなく、基本的な設計が現在の集積回
路技術と互換性があるかまたは適合させ得るものでなけ
ればならない。
ことによって、モデムのデータ速度能力の向上が実現さ
れる。サイズ、重量およびコストもまた、目覚ましく減
じられる。
いて、目覚ましい進歩がとげられてきているにもかかわ
らず、DAAのインタフェース回路には、比較的に変化
がないままである。実際、ラップトップコンピュータの
設計の中には、モデムの回路の中でDAAがそれ以外の
残りの部分とほぼ同じくらいの場所をとっているものも
ある。
せて詰込むことにより、実装の制限範囲内にとどまるこ
とができた。しかしながら、設計者たちは今やULおよ
びパート68の高電圧絶縁破壊テストを満たすにあたっ
ての問題を経験しているため、急速に限界に達しつつあ
る。加えて、DAA構成要素の物理的サイズが、新型の
ポケットコンピュータにモデムを設置することを妨げて
いる。
は、変圧器である。機能的には、変圧器は設計上の2つ
の要求を満たすものである。
で必要な高電圧アイソレーションを提供する。米国で
は、FCCパート68によりこれが特定されており、こ
れは1500ボルトを必要とする。他の国々では、この
アイソレーションは3750ボルトにまで上がるかもし
れない。
るノイズ信号の良好なコモンモード除去を提供するとと
もに、パート68と適合するのに必要なバランスインタ
フェース回路を提供する。
に低い歪みレベルをなお維持すると、結果として変圧器
は比較的大型になる。たとえば、v32のような、新し
い高性能モデムは、−70dBmまたはそれ以下の歪み
レベルを必要とする。これらのレベルに達するには、特
殊な磁気物質および大きな物理的サイズが必要である。
替物が必要であることが明らかである。
ン回路を付加えようとするなら、常に歪みを追加すると
いう問題があることを、実験は示している。
れた場合のサージの問題を除去する。
しなければならない。このテストは、モデムのTIPと
RINGとの間に800Vのパルスを与えるというもの
である。モデムがオンフック状態にあるときは、起動リ
レーはオフ(開)であり、したがってサージが電子回路
の中に入ることは妨げられるので、問題はない。この8
00Vのサージはモデムがオフフック状態の間にもまた
与えられるが、このときラインスイッチは閉じており、
800Vのサージはこの電子回路に取返しのつかない損
傷を与える可能性がある。
にFETが接続され、そのリードを開閉する。JKフリ
ップ−フロップが、電圧感知回路に接続され、これは電
圧上昇の初期段階で電圧サージを感知しフリップ−フロ
ップをクロックする。これにより第1回路が活性化さ
れ、FETゲートを接地し、FETを開に保つ。一方、
RC回路がコンデンサを充電し、コンデンサはFETを
サージより長い期間、すなわち約1m秒の間オフ状態に
維持し、その後コンデンサが所定の量を放電してからJ
Kフリップ−フロップをクリアする。
ジタル信号プロセッサとの間の絶縁のために(アナログ
DAA内よりもむしろ)ディジタルインタフェースにお
いて、パルストランスおよびマルチプレクサ/デマルチ
プレクサ、もしくは光学またはそれ以外のアイソレーシ
ョンを使用する、トランスなしのDAA回路と結合され
るなら、相乗的な効果が得られ、その結果、アナログ歪
みを最小限に抑え、またコモンモードと非コモンモード
との双方が保護されるので、データ速度を向上させるこ
とになる。従来の重い絶縁変圧器を排除することは、特
にラップトップ/パームトップコンピュータ用のカード
において有用である。
ドアロン回路として提供することができる。言い換えれ
ば、この発明はディジタルアイソレーションを補足する
一方で、他の応用の役に立つこともできる。
の集積化されたアナログ(IA)装置11(図1)とデ
ィジタル信号プロセッサ13(DSP)とは、15本の
個別のワイヤ15によって接続され、マイクロプロセッ
サ14は2本のワイヤ16によりDSP13に接続され
る。すべてのデータアクセス装置(DAA)17(図
2)は、電話回線19、21とモデムとの間で高電圧ア
イソレーションを必要とする。通常は、変圧器21(D
AA部分9においての)が、このアイソレーションを提
供する。
(B)は、DAAから従来の絶縁変圧器を排除し、この
発明との相乗的な組合わせを提供する、相互参照された
発明を詳しく説明する。これは図7と図8において最も
よく見られる。
り、その代わりとしてIA装置11´とDSP13´と
の間で小型のパルストランス25、27が使用されてい
る。受信された集積化されたアナログ信号は、ディジタ
ル化され、ボックス29内でマルチプレクスされ、ボッ
クス31内でデマルチプレクスされるが、それに対して
送信された信号は、ボックス31A内でマルチプレクス
され、ボックス29A内でデマルチプレクスされる。し
たがって15本のワイヤ配線とすべてのアナログの歪み
とは避けられる。
の並列の信号は、1つは入力、1つは出力という2つの
直列のデータの流れとして組合わせられることが見てと
れるだろう。このデータは、時分割多重の自己クロック
装置においてコード化される。すべての直列のコード化
とデコードとは、集積化されたアナログおよびディジタ
ル信号処理装置11´および13´に組込まれるので、
アイソレーション回路は2つのパルストランス25およ
び27、または2つの光結合器(図示せず)のみから構
成できるだろう。
する。必要なのは、全波39(図4(A))を送るので
はなく、ただ元の波39の上下の遷移を表す短いスパイ
ク35、37(図4(B))を送ることだけである。コ
モンモード除去は、高電圧アイソレーションと同じく、
パルストランスによって達成される。
062インチの、従来のガラス製プリント回路基板41
の上のパルストランス25および27の構造を示してい
る。基板中央のホール36および38はU状のバー4
0、46の脚42、43および44、45を受け、それ
らが当接するところで「ギャップ」を形成する。それぞ
れの脚を囲むコイル37および39は、基板41上に置
かれ、コイルを残すためにエッチ除去された金属の巻き
をいくつか含むのみであって、そのコイルの直径は約1
/8インチである。U状のバーは、長さにして約1/2
インチである。もう1つのパルストランス27は、トラ
ンス25と現実的に可能な限り間隔を空けておかれ、そ
の構成要素は同じであり、同じ参照番号に´をつけて示
している。磁気経路のためには、フェライトのような、
最も良い磁性材料が使われ、寸法が小さいので最小のス
ペースにも容易に適合する。
り、また電力のロスは極端に少ない。なぜなら、パルス
技術が必要とする電力は、波全体を扱うのに必要な電力
よりずっと少ないからである。パルス技術は、コモンモ
ードの歪みの問題にも対処する。
いパルストランスの代わりに、他のタイプのアイソレー
ションを用いてもよい。2つの光結合器もまた、1つが
入力、1つが出力という2つの直列のデータストリーム
に対して効果的である。しかしパルストランスによるア
イソレーションの方が、電力が少なくてすむ。
わち地上の電話システムにおける、非コモンモードにつ
いては、図3および図7のブロック図が、図2のDAA
装置17で使用するためのサージ除去回路を示してい
る。図3では、TIPライン51はこのラインを開くた
めのFET52(あるいは動作の早いトランジスタ)を
含んでいる。TIPリード51とRINGリード54と
の間の検出器53は、サージを感知し、FET52を非
常に迅速に開く。
に結合された57のような、モデムのための先行技術の
型のサージ保護を示す。従来の絶縁変圧器60が、電話
回線58および59とモデム57との間に接続されて示
されている。MOV61(金属酸化物バリスタ)がサー
ジ吸収装置として作用するよう複数の回線にかかるよう
に接続されて示されている。RING検出器62は、リ
ングが現れたことをモデム57に示すために設けられて
おり、DSP13は、IA11を介して回線起動リレー
63を動作させる。
の好ましいサージ保護回路を示す。サージ除去および回
線起動スイッチ65についての詳細は、図8で後述され
る。
びオフフックのリードが示され、これはオフフックのと
き+5Vを供給し、またモデムがオンのときは、直流電
力リード103で接地105に対して+5Vを受取る。
FET107(BUZ78)は、予期しないサージのた
めの信号回路内のTIPリードを開閉するのに使われ
る。
3にかかる、直列抵抗器112を含む並列リード111
中のコンデンサ110は、0.33μf、250Vのコ
ンデンサであり、また抵抗器112は、10,000Ω
である。この対はRING信号のためのダミー負荷を含
む。
4006ダイオード115、117、119および12
1を含んでFET107のドレイン123上の正の電圧
を保障し、このときソース125はリード127を介し
て105において接地されている。
なければならない。 1) モデムの電力が103でオフであるとき。
にオフ状態である。オフ状態の間、FETは高電圧が通
過するのをブロックする。速やかに上昇するサージが達
すると、それはFET107の内部キャパシタンスを介
してFETゲート129を充電しようとする。普通、こ
れはFETをオンにする。しかしながら、ダイオード
(1N1148)D12 131は、5V電源を介して
ゲート129を接地105にクランプすることにより、
FET107をオフに保ち、したがってゲート129上
でのいかなる電荷の結集をも防ぐ。
り、かつ101でオンフックであるとき。
あり、DC電流がそれを介して流れないという意味で前
述のものに似ている。リード101を通過するオンフッ
ク信号がゲート129を接地レベル105に保つので、
FETはオフである。このとき、JKフリップ−フロッ
プ133(U2)(74HC112)はリード103か
ら電力供給を受け、FET107をオフに保つのを助け
ることができる。
pf)に見られるように、C4を介して通過し、JKフ
リップ−フロップ133に対してクロックとなる。16
1で示される抵抗器R6は、47,000Ωを有し、か
つ162で示される抵抗器R4は、10,000Ωを有
する。この5:1の割合は、リード137を介してJK
フリップ−フロップ133をクロックするのに必要とさ
れるサージ電圧の程度を決定し、所望ならばそれは調整
可能にすることができる。結果としてJK133のQ出
力が上昇し、リード138および127、ならびに13
1上でQ2 140(2H1222)をオンにする。Q
2 140は、Q4 140のゲート129を、接地レ
ベルにクランプされた状態に保ち、それはFET107
をオフ状態に保つ結果となる。
り、かつ101でオフフックであるとき。
流を導通している。なぜならそのゲートが、5Vをリー
ド101から受取るからである。サージは、再び、C4
135を通過し、かつJK133をクロックする。J
KのQ出力は、上昇し、Q2140をオンにする。Q2
140は、電圧が高くなる前にできるだけ早くFET
107をオフにする。
り、101でオフフックであり、しかし電流はTIPお
よびRINGを介して流れないとき。
動く。この状態は、モデムを普通に使っている間は起こ
りそうではないが、FCC研究所はTIPおよびRIN
G電流なしでモデムの電力をオンにするテストを行なっ
ている。
N4403)は、JKフリップ−フロップ133がクロ
ックされたときはいつでも、オンとなり、Q14 14
4(MJD47)を非常に速やかにオンにする。この動
作は、浮遊キャパシタンスおよびFET107のキャパ
シタンスを放電し、電圧が高くなるのを防ぐ。
47(0.01μf)は、JKフリップ−フロップ13
3のQ出力を高レベルに保持し、約1m秒の間FET1
07をオフに保つ。この方法で、FET107はサージ
の予期される持続期間よりも長い期間オフにされる。
(1MS)を超えてサージが持続する場合、R7&R5
C5の組合わせは、JKをクロックされた状態に保つよ
うに設計され、これはQ4 107をオフに保つ。
リードに接続され、このためTIP−RINGにかかる
高電位のスパイクまたはサージが、パルスの負側を電子
的インダクタボックス150内の何らかの、またはいく
つかの経路を介して接地105およびリード103まで
通過させるということに注目すべきである。したがっ
て、パルスは5:1の分圧器、R4 162、R6 1
61を横切る。
きには、またそれを介して通されるいくらかのエネルギ
があり、電圧は、Q14 144を横切って上昇する。
クロックの後、トランジスタQ12 142は、Qバー
によりしっかりとオンになって、Qが上昇し、次にQ1
4 144はしっかりとオンになり、エネルギーを吸収
する。
デム内でも動作して、たとえば商業製品(消費財)を非
コモンモードのサージから保護する。このように、ディ
ジタルパルス変圧器およびサージ保護回路と、トランス
なしのDAAとの結合は、非コモンモードおよびコモン
モードの問題を両方とも排除する。
る。
波を示す図であり、(B)は電力節約のための微分され
た波を示す図である。
来の絶縁変圧器の代わりとなるパルストランスのための
コイルを示す図であり、(B)はパルストランスの断面
図である。
ジ保護回路を示す図である。
示す図である。
図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 電話回線とモデムとの間の通信のための
TIPおよびRINGリードと、 前記リードのうち1本を開閉するために接続されたFE
Tと、 オフフックモードのときに前記FETに動作電圧を供給
するためのオン/オフフック回路と、 接地に対して正である直流電圧のためのモデム電源と、 第1の回路および第2の回路と、 前記第1の回路を一の状況において活性化しかつ前記第
2の回路を他の状況において活性化するためのフリップ
−フロップ回路と、 前記リードにかかって接続され、サージ電圧を感知する
と前記フリップ−フロップ回路を前記一の状況に活性化
するための感知手段とを組合せとして備え、 前記第1の回路は、前記第1の回路が活性化されるとき
に前記FETが電流を導通することを防ぎ、 前記第2の回路は、所定の時間の後フリップ−フロップ
回路をリセットする、モデムサージ保護回路。 - 【請求項2】 前記第1の回路は、サージに応答して前
記FETのゲートを接地にクランプしてゲートに電荷が
結集するのを妨げるクランプ手段を含む、請求項1に記
載の回路。 - 【請求項3】 前記フリップ−フロップに接続され、フ
リップ−フロップがクロックされるときに飽和する第1
のトランジスタと、 第1のトランジスタに接続され、導通する第1のトラン
ジスタによって迅速にオンする第2のトランジスタと、 RINGリードから接地へ前記第1および第2のトラン
ジスタによって閉じられ、FETキャパシタンスを含む
浮遊キャパシタンスを放電するための短絡経路とをさら
に備える、請求項2に記載の回路。 - 【請求項4】 TIPとRINGとの間に接続され、F
ETのドレインへの正の電圧を保証するための整流器ブ
リッジ回路をさらに備える、請求項3に記載の回路。 - 【請求項5】 TIPとRINGとにかけて接続され、
RING信号に対するダミー負荷として働く抵抗器−コ
ンデンサ直列回路をさらに備える、請求項4に記載の回
路。 - 【請求項6】 前記第1のおよび第2のトランジスタと
並列抵抗器−コンデンサ回路とを含む前記モデムのため
のインダクタをさらに備える、請求項5に記載の回路。 - 【請求項7】 前記感知手段はコンデンサと2つの抵抗
器とからなる直列回路を含み、両方の抵抗器に共通の点
が前記JKフリップ−フロップのクロック入力に接続さ
れており、前記抵抗器の相対的値がフリップ−フロップ
を活性化させるサージ上の点を決定する、請求項1に記
載の回路。 - 【請求項8】 前記第1の回路は、フリップ−フロップ
のQ出力に接続されかつ前記FETのソース−ゲートに
かかるように接続されてフリップ−フロップがクロック
されているときにゲートを接地するためのクランプトラ
ンジスタを含む、請求項1に記載の回路。 - 【請求項9】 前記第2の回路は、フリップ−フロップ
出力Qバーに接続されてコンデンサを充電しかつフリッ
プ−フロップのCLEARに接続されてサージが消えて
しまうまでの間FETゲートの接地を維持するためにフ
リップ−フロップがクロックされているときに放電する
抵抗器−コンデンサネットワークを含む、請求項1に記
載の回路。 - 【請求項10】 従来の絶縁変圧器を含まないモデムで
あって、組合せにおいて、 電話回線システムと通信するトランスなしのデータアク
セス装置と、 集積化されたアナログ装置と、 ディジタル信号プロセッサと、 マイクロプロセッサとを備え、 集積化されたアナログ装置はデータアクセス装置に接続
され、かつマイクロプロセッサはディジタル信号プロセ
ッサに接続され、 集積化されたアナログ装置とディジタル信号プロセッサ
との間に接続されたパルストランス手段と、 電話回線とモデムとの間の通信のためのTIPおよびR
INGリードと、前記リードのうち1本を開閉するため
に接続されたFETと、 オフフックモードのとき前記FETに動作電圧を供給す
るためのオン/オフフック回路と、 第1の回路および第2の回路と、 前記第1の回路を一の状況において活性化しかつ前記第
2の回路を他の状況において活性化するためのフリップ
−フロップ回路と、 前記リードにかかって接続され、サージ電圧を感知する
と前記フリップ−フロップ回路を前記一の状況に活性化
するための感知手段と、 前記第1の回路は、前記第1の回路が活性化されるとき
に前記FETが電流を導通することを防ぎ、 前記第2の回路は、所定の時間の後フリップ−フロップ
回路をリセットする、モデム。 - 【請求項11】 受信された信号のための集積化された
アナログ装置中のマルチプレクサ手段および受信された
信号のためのディジタル信号プロセッサ中のデマルチプ
レクサ手段と、 送信された信号のためのディジタル信号プロセッサ中の
さらなるマルチプレクサ手段および送信された信号のた
めの集積化されたアナログ装置中のさらなるデマルチプ
レクサ手段とをさらに備え、パルストランスを通して送
られる前記信号はすべてディジタルであり、それによっ
てアナログの歪が防止される、請求項10に記載の回
路。 - 【請求項12】 サージに応答して前記FETのゲート
を接地にクランプし、ゲートに電荷が結集するのを妨げ
る、クランプ手段をさらに備える、請求項11に記載の
回路。 - 【請求項13】 前記フリップ−フロップに接続され、
フリップ−フロップがクロックされるときに飽和する第
1のトランジスタと、 第1のトランジスタに接続され、導通する第1のトラン
ジスタによって迅速にオンする第2のトランジスタと、 RINGリードから接地へ前記第1および第2のトラン
ジスタによって閉じられ、FETキャパシタンスを含む
浮遊キャパシタンスを放電するための短縮経路とをさら
に備える、請求項12に記載の回路。 - 【請求項14】 TIPとRINGとの間に接続され、
FETのドレインへの正の電圧を保証するための整流器
ブリッジ回路をさらに備える、請求項13に記載の回
路。 - 【請求項15】 TIPとRINGとにかけて接続さ
れ、RING信号に対するダミー負荷として働く抵抗器
−コンデンサ直列回路をさらに備える、請求項14に記
載の回路。 - 【請求項16】 前記第1のおよび第2のトランジスタ
と並列抵抗器−コンデンサ回路とを含む前記モデムのた
めのインダクタをさらに備える、請求項15に記載の回
路。 - 【請求項17】 前記感知手段は、コンデンサと2つの
抵抗器とからなる直列回路を含み、両方の抵抗器に共通
の点が前記フリップ−フロップのクロック入力に接続さ
れており、前記抵抗器の相対的値がフリップ−フロップ
を活性化するサージ上の点を決定する、請求項10に記
載の回路。 - 【請求項18】 前記第1の回路は、そのベースがフリ
ップ−フロップのQ出力に接続され、かつ前記FETの
ソース−ゲートにかかって接続されてフリップ−フロッ
プがクロックされているときにゲートを接地するクラン
プトランジスタを含む、請求項10に記載の回路。 - 【請求項19】 前記第2の回路は、フリップ−フロッ
プ出力Qバーに接続されてコンデンサを充電しかつフリ
ップ−フロップのCLEARに接続されてサージが消え
てしまうまでの間FETのゲートの接地を維持するため
にフリップ−フロップがクロックされているときに放電
する抵抗器−コンデンサネットワークを含む、請求項1
0に記載の回路。 - 【請求項20】 1対の入力リードと、 前記リードのうち1本を開閉するために接続されたFE
Tと、 前記FETに動作電圧を供給するための端子と、 第1の回路および第2の回路と、 前記第1の回路を一の状況において活性化しかつ前記第
2の回路を他の状況において活性化するためのフリップ
−フロップ回路と、 前記リードにかかって接続され、サージ電圧を感知する
と前記フリップ−フロップ回路を前記一の状況に活性化
するための感知手段とを組合せとして備え、 前記第1の回路は、前記第1の回路が活性化されるとき
に前記FETが電流を導通することを防ぎ、 前記第2の回路は、所定の時間の後フリップ−フロップ
回路をリセットする、サージ保護回路。 - 【請求項21】 1対の入力線を横切るように接続され
た装置のためのサージ保護の方法であって、 入力線のうちの1本の中へFETを配置して前記入力線
を開閉するステップと、 サージ電圧を感知するステップと、 前記サージが感知されたときに前記FETが電流を導通
することを防ぐステップと、 サージが通過してしまうまで前記導通の防止を維持する
ステップとを含み、 前記FETが非導通もしくは導通のときにサージが発生
した場合、前記FETのゲートに電荷が結集するのを妨
げるためにゲートを接地にクランプし、 前記FETがオンからオフへと変えられる際に、前記F
ETをエネルギが通過するための放電経路を提供する、
方法。 - 【請求項22】 1対の入力線を横切るように接続され
た装置のためのサージ保護の方法であって、 入力線のうちの1本の中へFETを配置して前記入力線
を開閉するステップと、 サージ電圧を感知するステップと、 前記サージが感知されたときに前記FETが電流を導通
することを防ぐステップと、 サージが通過してしまうまで前記導通の防止を維持する
ステップとを含み、 前記サージが感知されたときにFETキャパシタンスを
含む浮遊キャパシタンスの放電経路を能動化する、 方
法。
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