JP6193331B2 - 共通モード過渡現象の保護機能付き信号アイソレータシステム - Google Patents

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Description

本発明はアイソレータに関し、特に、共通モード過渡現象を防ぐアイソレータのための保護回路に関する。
アイソレータは、２つのガルバニック絶縁された回路システム間でデータ信号を交換するデバイスである。回路システムは各々が、異なる電源電位および異なるグランドを含み得る異なる電圧ドメインで動作する。絶縁デバイスは、ガルバニック絶縁を維持するアイソレータバリアを超えてデータ交換を提供し得る。一般的な絶縁デバイスは、マイクロ変圧器、コンデンサ、および磁気抵抗器を含む。
多くのアイソレータデバイスは、個別に駆動される。すなわち、信号コンテンツ（「ＶＳＩＧ」）は、共通モード電圧（「ＶＣＭ」）を中心として個別に逸脱する一対の信号として表される。第１の信号は、共通モード電圧ＶＣＭから量ＶＳＩＧだけ逸脱し（例えば、Ｖ１＝ＶＣＭ＋ＶＳＩＧ）、第２の信号は、共通モード電圧ＶＣＭから量ΔＶだけ、しかしながら補完的な様式で逸脱する（例えば、Ｖ２＝ＶＣＭ−ＶＳＩＧ）。この例では、ＶＳＩＧ値は、信号コンテンツを表す。アイソレータ回路は、しばしば、信号コンテンツを表すこれらの個別に駆動される信号を送信および／または受信するための設計要因として共通モード電圧ＶＣＭを用いて設計される。
アイソレータデバイスは、しばしば、ノイズの多い環境で用いられる。それらは、このようなシステムによって送信および受信される信号に信号破損を引き起こす電磁気過渡現象の影響を受け得る。一部の過渡現象は、システムによって送信されている信号の共通モードに逸脱を引き起こす。したがって、差分信号対が理想的に差分様式で共通モードから逸脱する場合、共通モード過渡現象は、個別信号をアイソレータの動作を邪魔するように一緒に変動させ得る（例えば、Ｖ１＝ＶＣＭ＋ＶＥＭＩ＋ＶＳＩＧ、Ｖ２＝ＶＣＭ＋ＶＥＭＩ−ＶＳＩＧ）。一部の過渡現象は、これらの信号に、信号を受信および復号する回路の電源電圧（ＶＤＤまたはグランド）を超えさせる場合があり、これは、信号の誤った復号につながり得る。
本発明者らは、動作中に共通モード過渡現象を防止するアイソレータシステムの当技術分野における必要性を認識する。
図１は、本発明の実施形態によるアイソレータシステムを示す。 図２は、本発明の実施形態によるフィルタを示す。 図３は、本発明の実施形態による、共通モード過渡現象に対する図２のフィルタの応答を表す例示の波形を示す。 図４は、代替のフィルタを示す。 図５は、共通モード過渡現象に対する図４のフィルタの応答を表す例示の波形を示す。
本発明の実施形態は、差分アイソレータ信号を生成するアイソレータと、アイソレータから受信された信号を表すデジタルデータを生成するための受信機とを有するアイソレータシステムを提供する。システムはまた、アイソレータと受信機との間に連結されたＲＣフィルタを含み得る。動作中、フィルタは、過渡信号を、一部だけが受信機の入力部に連結される、アイソレータ中の様々な回路経路にわたって分配する。時間の経過とともに、フィルタは、受信機の入力部での過渡現象寄与を減衰させ得る。このように、フィルタは、これらの共通モード過渡現象の影響を制限し得る。
図１は、本発明の実施形態によるアイソレータシステム１００を示す。システム１００は、送信機１１０、アイソレータ１２０、フィルタ１３０、および受信機１４０を含み得る。アイソレータ１２０は、２つの電圧ドメインを互いにガルバニック絶縁する絶縁バリア１５０を範囲に収め得る。送信機１１０は、それ自身の電圧およびグランドの電源（ＶＤＤ１、ＧＮＤ１として示す）を保有する第１の電圧ドメインに属し、フィルタ１３０および受信機１４０は、第１の電圧ドメインの電源から分離した電圧およびグランドの電源（ＶＤＤ２、ＧＮＤ２）を保有する第２の電圧ドメインに属し得る。絶縁バリア１５０は、１つのドメインから他のドメインへの電圧の連通を防止し得る。
システム１００は、第１の電圧ドメインから第２の電圧ドメインへのデジタルデータの通信のために提供され得る。このような実施形態では、送信機１１０は、２つのバイナリ電圧レベルのうちの一方を取る入力信号を受信し得る。送信機１１０は、入力信号の状態から決定される状態を有する出力信号を生成し得る。出力信号は、絶縁バリア１５０にわたって第１の電圧ドメインから第２の電圧ドメインにアイソレータ１２０によって供給され得る。受信機１４０は、アイソレータ１２０からの信号（本明細書に検討されるようにフィルタリングされ得る）を受信して、それからデジタル出力信号を生成し得る。
データは、例えば、オンオフキーイング、パルス数変調、パルス極性変調などを含む様々な技法のうちの任意のものによってアイソレータ１２０にわたって送信され得る。オンオフキーイングでは、入力信号が「１」のバイナリ値に対応する場合、送信機１１０は、その出力部に周期信号を生成し得るが、入力信号が「０」のバイナリ値に対応する場合、送信機１１０は、不活性信号（動作なし）を出力し得る。パルス数変調は、第１のバイナリ値（例えば、デジタル「０」）を表す１パルス信号および第２のバイナリ値（デジタル「１」）を表す複数パルス信号の送信を伴い得る。パルス極性変調は、第１のバイナリ値を表す第１の極性を持つパルス（例えば、デジタル「１」）を表す正のパルス）および第２のバイナリ値を表す第２の極性を持つパルス（例えば、デジタル「０」）を表す負のパルス）の送信を伴い得る。本発明の原理は、任意の個別駆動式アイソレータ構造で応用される。
マイクロ変圧器ベースのアイソレータ、容量性アイソレータ、および／または磁気抵抗器アイソレータを含む様々なアイソレータデバイスが、アイソレータ１２０として用いられ得る。
図２は、本発明の実施形態によるフィルタ２００を示す。ネットワーク２００は、図１のフィルタ１３０として応用され得る。ネットワークは、一対の第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２、入力コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２、一対の第２のステージ抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２、一対の第３のステージ抵抗器Ｒ３．１、Ｒ３．２、および別のコンデンサＣ２を含み得る。
第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２の第１の端子は、ノードＮ１．１、Ｎ１．２として図示されるアイソレータのそれぞれの端子に連結され得る。第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ２．１の第２の端子は、グランドに接続され得る。
入力コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２の第１の端子もまた、アイソレータのそれぞれの端子にノードＮ１．１、Ｎ１．２で連結され得る。入力コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２の第２の端子は、それぞれの第２の抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２の第１の端子にノードＮ２．１、Ｎ２．２で連結され得る。第２のステージ抵抗器の第２の端子は、互いに対してと、コンデンサＣ２および第３のステージ抵抗器Ｒ３．１、Ｒ３．２とに連結され得る。
第３のステージ抵抗器Ｒ３．１、Ｒ３．２は、電圧電源ＶＤＤとグランドＧＮＤとの間に直列に接続され得る。コンデンサＣ２の第１の端子は、第３のステージ抵抗器Ｒ３．１とＲ３．２との間の中間ノードＮＭに接続され、コンデンサＣ２の第２の端子は、グランドＧＮＤに接続され得る。抵抗器Ｒ３．１とＲ３．２は、コンデンサＣ２の両端の電圧を、過渡現象の不在下で、１／２ＶＤＤの共通モードレベルに保持し得る等しい抵抗値を有し得る。
図２の例では、第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２の各々の第２の端子は、グランドに連結されているところが示されている。この接続は、グランドを、第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２にとっての共通モード電圧と定義する。しかしながら、第２のステージ抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２の第２の端子は、抵抗器Ｒ３．１、Ｒ３．２間の中間ノードに接続されるノードＮＭに接続されている。この接続は、１／２ＶＤＤを、第２および第３のステージ抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２、Ｒ３．１、およびＲ３．２にとっての共通モード電圧と定義し得る。これら２つの共通モードドメインは、一方ではノードＮ１．１、Ｎ１．２間に、他方ではノードＮ２．１、Ｎ２．２間にコンデンサＣ１．１、Ｃ１．２を介在させることによって互いに離散状態に保たれ得る。他の回路応用では、図２に示すグランドおよび１／２ＶＤＤとは異なる共通モード電圧を定義することは便利であり得る。
コンデンサＣ２の容量値は、コンデンサＣ１．１およびＣ１．２の容量値よりも大きくあり得る。例えば、Ｃ２の容量値は、コンデンサＣ１．１およびＣ１．２の容量値よりも６〜１０倍大きくあり得る。
動作中、アイソレータは、ノードＮ１．１、Ｎ１．２で差分入力電圧をフィルタに提示し得る。すなわち、理想的な動作状態では、ノードＮ１．１で提示される電圧は、共通モード電圧を中心とし得るし、これもまた共通モード電圧を中心とするＮ１．２で提示される電圧とは逆に変動し得る。共通モード電圧は、理想的動作状態では変動し得ない。
しかしながら、動作状態は、共通モード電圧をその理想値から逸脱させる過渡現象をアイソレータに誘発させかねない。このような過渡現象は、共通モード電圧を高い電源電圧ＶＤＤを超えさせるまたはグランド未満に降下させかねない。ＶＤＤを超えるまたはグランドを下回る過渡現象は、受信機１４０（図１）に入力されると、受信機１４０に不適切な動作を引き起こし得る。
図２の実施形態は、アイソレータシステムにおけるこのような過渡現象の影響を軽減させ得る。過渡現象は、しばしば、コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２が短絡しているように見え得る短期間で高周波数の事象である。したがって、過渡現象がノードＮ１．１およびＮ１．２に存在するとき、第１および第２のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２、Ｒ２．１、およびＲ２．２は、受信機１４０（図１）に提示される過渡現象の大きさを減衰させる助けとなる簡単で並列の抵抗性ネットワークとして見え得る。
図３は、図２の回路中での過渡現象での伝播を表す一連の例示の波形を示す。グラフ（ａ）は、アイソレータから提示され得る過渡現象の共通モード構成要素を示す。それは非個別的に両方のノードＮ１．２およびＮ１．２に提示される。この例では、過渡現象は、時点ｔ０で始まり時点ｔ１まで継続する電流パルスＩＣＭとして示されている。実際、過渡現象は、個別的な構成要素をも有し得るが、これらは、図３の例には示されていない。
過渡電流パルスの開始では、電流ＩＣＭは、第１のステージ抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２と第２のステージ抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２との間に分割され得る。数学的には、これらの電流は次のように表され得る：
Figure 0006193331
式中、ＩＲ１．１、ＩＲ１．２は、それぞれ、抵抗器Ｒ１．１、Ｒ、１．２中の電流を表し、ＩＲ２．１、ＩＲ２．２は、それぞれ、抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２中の電流を表す。
電圧ドメインでは、ノードＮ１．１およびＮ１．２での電圧Ｖ１．１、Ｖ１．２は、その共通モード電圧（グランド）から次式にずれ得る：
Figure 0006193331
式中、Ｒ１．１｜｜Ｒ２．１は、抵抗器Ｒ１．１およびＲ２．１の並列接続によって提示される実効インピーダンスを表す。したがって、グラフ３（ｂ）では、電圧Ｖ１．１およびＶ１．２は、時点ｔ０でこのレベルから遷移するところが図示されている。
同様に、ノードＮ２．１およびＮ２．２での電圧Ｖ２．１、Ｖ２．２は、その共通モード電圧（１／２ＶＤＤ）から次式にずれ得る：
Figure 0006193331
したがって、グラフ３（ｃ）では、電圧Ｖ２．１およびＶ２．２は、時点ｔ０でこのレベルから遷移するところが図示されている。
電流過渡現象が十分に長い持続時間を有する場合、コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２は、過渡電流パルスＩＣＭに対してインピーダンスを提示し得る。第１および第２の抵抗器Ｒ１．１、Ｒ１．２、Ｒ２．１、およびＲ２．２と連結すると、コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２は、次の時定数を持つＲＣネットワークを形成する：
Figure 0006193331
したがって、グラフ３（ｂ）は、電圧Ｖ１．１およびＶ１．２が、時定数τで決定される速度で電圧Ｖ＝ＩＣＭ・Ｒ１．１に向かって遷移するところを図示している。
同様に、電流過渡現象が十分に長い持続時間を有する場合、コンデンサＣ１．１、Ｃ１．２は、第２および第３のステージ抵抗器Ｒ２．１、Ｒ２．２、Ｒ３．１、およびＲ３．２を持つＲＣネットワークとして動作する。ノードＮ２．１およびＮ２．１での電圧Ｖ２．１、Ｖ２．２は、そのずれた値から次式で与えられる中間値に減衰し得る：
Figure 0006193331
したがって、グラフ３（ｃ）は、電圧Ｖ２．１およびＶ２．２が、時点ｔ０での初期ずれに続いてこのレベルにまで減衰するところを図示している。上の式に示すように、Ｃ２がＣ１．１およびＣ１．２よりも６〜１０倍大きいとき、それは、共通モード電流ＩＣＭによって引き起こされる電圧変動を軽減させることが可能である。
ノードＮＭでは、コンデンサＣ２は、第２のステージ抵抗器Ｒ２．１とＲ２．２との両方を介する電流パルスを受信するものとしてモデル化され得る。それは、次の形態を有する電流パルスを受信する：
Figure 0006193331
したがって、ノードＮＭでの電圧は次のピークを有し得る：
Figure 0006193331
図３（ｄ）は、これらの影響を示す。
過渡電流ＩＣＭは、時点ｔ１で直ちに終了するところが示されている。フィルタ２００は、時点ｔ０で示す遷移に対して補完的に応答し得る。すなわち、電圧Ｖ１．１、Ｖ１．２は、その電圧Ｖ１．１＝Ｖ１．２＝ＩＣＭ＊Ｒ１．１からΔＶ１．１＝ΔＶ１．２＝ＩＣＭ（Ｒ２．１｜｜Ｒ２．２）だけずれて、次に、時定数τに従ってゼロに向かって遷移し得る。同様に、電圧Ｖ２．１、Ｖ２．２は、電圧
Figure 0006193331
から量
Figure 0006193331
だけずれ得る。これらの初期遷移後、電圧Ｖ１．１、Ｖ１．２、Ｖ２．１、およびＶ２．２は、それぞれグランドおよびＶＤＤのその通常共通モード値によって表される定常状態電圧に遷移し得る。
図示するように、図３のグラフは、ステップ関数を表す過渡電流パルスによって提示されたときに、フィルタ２００内の電圧のシミュレーションを表す。このステップ関数（グラフ３（ａ））は、時点ｔ０で瞬時に大きさゼロから大きさＩＣＭに遷移し、時点ｔ１で瞬時に大きさＩＣＭから大きさゼロに戻って遷移する電流を表す。実際、このような電流遷移は、有限の立ち上がり時間および立ち下がり時間を有する可能性があり、これは、電圧Ｖ１．１、Ｖ１．２、Ｖ２．１、およびＶ２．２のピークをこのシミュレーションで表されるものよりも低くさせ得る。
図２に戻ると、フィルタ２００は、回路設計者に、回路設計における過渡現象の影響を軽減させる機会を与える。注記したように、受信機の異常な動作は、入力電圧（ノードＮ２．１およびＮ２．２でのそれら）がＶＤＤを超えるまたはグランド未満に落ちると発生し得る。しかしながら、回路設計者は、このような過渡現象の影響を軽減するために抵抗器Ｒ２．１、Ｒ１．２、Ｒ２．１、およびＲ２．２の抵抗値を選択し得る。
回路設計中、回路設計者は、フィルタ２００（図２）が遭遇することが予想される電圧過渡現象の特徴を推定し、それらを
Figure 0006193331
と表し得る。この推定値から、回路設計者は、これらの過渡現象によって誘導され得る最大値ＩＣＭを推定し得る。回路設計者は、次に、次の設計ルールに従って抵抗値を選択し得る：
Figure 0006193331
実際、様々な抵抗値が、この設計ルールを満足させ得る。したがって、回路設計者は、アイソレータの電力消費および連結動作などの他の設計目的を満足する抵抗値を選択する機会を有する。
図４および図５は、アイソレータシステム中のフィルタの代替設計の動作を示す。この実施形態では、アイソレータデバイスは、受信機デバイスの入力部にノードＮＲＸ１、ＮＲＸ２で直接連結される。一対の抵抗器ＲＸ１．１、ＲＸ１．２は、受信機入力部の両端に連結され得るし、中間ノードＮＭは、コンデンサＣＸ１と、抵抗器ＲＸ２．１、ＲＸ２．２によって形成される分圧器とに連結される。
図５は、図３に示すのと類似した環境下での図４に示すフィルタの動作を示す。この場合、共通モード過渡現象を表すパルス電流ＩＣＭは、受信機の入力ノードＮＲＸ１、ＮＲＸ２での上昇する電圧ＶＲＸ１、ＶＲＸ２を引き起こし得る。電圧は、即座に、
Figure 0006193331
の電圧にジャンプして、
Figure 0006193331
によって表されるスルーレートで立ち上がる。図５に示すように、ノードＮＲＸ１、ＮＲＸ２での電圧は、
Figure 0006193331
の最大値に到達し得るが、式中、ｄｔは、共通モード過渡現象の持続時間を表す。したがって、ある環境下では、共通モード過渡現象の長さは、ノードＮＲＸ１、ＮＲＸ２での電圧に、受信機の電源電圧を超えさせるに十分であり得る。
図５はまた、共通モード基準電圧を抵抗器ネットワークＲＸ１．１、ＲＸ１．２に供給する中間ノードＮＭでの影響を示す。この設計では、共通モード過渡現象もまた、ＮＭでの電圧に影響して、それを
Figure 0006193331
のスルーレートで立ち上がり得る。
したがって、上に示すように、図２の実施形態は、共通モード過渡現象の存在下で絶縁システムに対する増加した保護を提供する。
本発明のいくつかの実施形態を、本明細書に具体的に例示および／または説明した。しかしながら、本発明の修正例および変更例は上記の教示によってカバーされ、本発明の精神および意図する範囲から逸脱することなく添付の請求の範囲にあることが理解されるであろう。上記の原理と矛盾しないさらなる変更は許容される。
１１０ 送信機
１２０ アイソレータ
１３０ ＡＣフィルタ
１４０ 受信機
２００ フィルタ

Claims (17)

  1. 差分アイソレータ信号を生成するアイソレータと、
    前記アイソレータを介して受信された信号を表すデジタルデータを生成するための受信機と、
    前記アイソレータと前記受信機との間に連結されたＲＣフィルタと、
    を備え、
    前記フィルタが、
    第１の対の端子間に延在し、第１の共通モード基準電圧に接続するために暫定ノードを有する入力インピーダンスステージと、
    第２の対の端子間に延在し、第２の共通モード基準電圧に接続するために暫定ノードを有する第２のインピーダンスステージと、
    一対のコンデンサであって、各々が前記入力インピーダンスステージのそれぞれの端子と前記第２のインピーダンスステージのそれぞれの端子との間に接続される、一対のコンデンサと、
    を備える、アイソレータシステム。
  2. 前記フィルタが、
    電源のラインと該電源のグランドとの間に延在する分圧器と、
    前記分圧器の中間ノードと前記電源のラインおよび該電源のグランドのうちの一方との間に延在する別のコンデンサであって、前記中間ノードが、前記第２の共通モード基準電圧として前記第２のインピーダンスステージに接続される、別のコンデンサと、
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記フィルタが、
    前記フィルタの第１の入力端子を前記受信機の第１の入力端子に連結する高域経路と、
    前記フィルタの第２の入力端子を前記受信機の第２の入力端子に連結する低域経路と、
    を備える、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記アイソレータが変圧器を備える、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記アイソレータが一対のコンデンサを備える、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記アイソレータが磁気抵抗器を備える、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記システムが前記アイソレータに連結された送信機を更に備え、
    前記送信機がオンオフキー変調器である、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記システムが前記アイソレータに連結された送信機を更に備え、
    前記送信機がパルス数変調器である、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記システムが前記アイソレータに連結された送信機を更に備え、
    前記送信機がパルス極性変調器である、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記アイソレータ、フィルタ、および受信機が、共通の基板上に提供される、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記アイソレータが第１の基板上に提供され、前記フィルタおよび前記受信機が第２の基板上に提供される、請求項１に記載のシステム。
  12. アイソレータシステム用のフィルタであって、
    第１の対の端子間に延在し、第１の共通モード基準電圧に接続するために暫定ノードを有する入力インピーダンスステージと、
    第２の対の端子間に延在し、第２の共通モード基準電圧に接続するために暫定ノードを有する第２のインピーダンスステージと、
    一対のコンデンサであって、各々が前記入力インピーダンスステージのそれぞれの端子と前記第２のインピーダンスステージのそれぞれの端子との間に接続される、一対のコンデンサと、
    を備える、フィルタ。
  13. 前記第２の対の端子が、前記フィルタの出力端子である、請求項１２に記載のフィルタ。
  14. 電源のラインと該電源のグランドとの間に延在する分圧器と、
    前記分圧器の中間ノードと前記電源のラインおよび該電源のグランドのうちの一方との間に延在する第３のコンデンサであって、前記中間ノードが、前記第２の共通モード基準電圧として前記第２のインピーダンスステージに接続される、第３のコンデンサと、
    をさらに備える、請求項１２に記載のフィルタ。
  15. 前記第３のコンデンサの容量が、前記一対のコンデンサの各々の容量の少なくとも２倍である、請求項１４に記載のフィルタ。
  16. 前記分圧器が、一対の直列接続された抵抗器を備える、請求項１４に記載のフィルタ。
  17. 前記入力インピーダンスステージおよび前記第２のインピーダンスステージが各々、それぞれの対の直列接続された抵抗器を備える、請求項１２に記載のフィルタ。
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