JP5564547B2 - 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

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遮断し、受電端子で受電される電力から中レベルの電圧を生成する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遮断するように構成された別の回路を含む。直流電流通路の遮断によって受電端子で受電される電力から中レベルの電圧を生成することができる。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電流通路を遮断して前記受電端子で受電される電力から中レベルの電圧を生成する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。なお、本明細書において、「ＤＣ電流通路を除去する」とは「ＤＣ電流通路を遮断する」との意味である。また、本明細書において、「電力を中位レベル電圧信号へと導く」とは「電力から中位レベル電圧を生成する」との意味である。

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Ｖ_mid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（Ｖ_DD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Ｖ_DDに放電され、他方の寄生キャパシタンスがＶ_SS（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、Ｖ_DD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Ｖ_mid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、（Ｖ_mid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Ｖ_DD,max／Ｖ_DD,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Ｖ_DD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Ｖ_mid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電流通路を遮断して前記受電端子で受電される電力から中レベルの電圧を生成する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配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電流通路を遮断して前記受電端子で受電される電力から中レベル電圧を生成する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電流通路を遮断して前記受電端子で受電される電力から中レベル電圧を生成する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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