JP7198219B2 - 適応型コモンモード調光器 - Google Patents

Description

（関連特許出願）
本出願は、２０１７年４月２７日に出願された同一所有者の米国仮特許出願第６２／４９１，０４９号に対する優先権を主張するものであり、これは、全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本開示は、電力技術に関し、特に、適応型コモンモード調光器に関する。

コモンモード（common-mode、ＣＭ）電流は、雑音源からの容量結合、電磁干渉（electromagnetic interference、ＥＭＩ）及び／又は磁気結合による、バルク電流注入（bulk current injection、ＢＣＩ）事象によって引き起こされ得る。ＣＭ電流は、電気システム内の意図しない放射器／受容体としてケーブルを作用させ得る。ＣＭ放射は、ケーブル長及び信号周波数に比例することが示されている。ＣＭ放射の低減には、一般に、ＣＭ電流又はＣＭ信号周波数を最小化する必要がある。ＣＭ電流を低減する手法は、２線式差動信号伝送線上で通信する差動ドライバ及び受信機に結合されたＣＭ調光器回路（複数可）を使用することである。これは、ＢＣＩ事象を克服するのに十分な駆動／シンク電流容量を有するＣＭ調光器回路内の差動駆動回路を必要とする。しかしながら、十分な駆動／シンク電流容量を保証するために、ＣＭ調光器差動駆動回路は、高い静止電流で動作しなければならない。これは、システム全体の著しい電力排出となる。

したがって、ＢＣＩ事象が発生しないが、高電流ＣＭ ＢＣＩ事象が発生したときにそれらを処理することができる、通常動作中により低い電力消費を有するＣＭ調光器回路が必要とされている。

一実施形態によれば、適応型コモンモード調光器は、低い動作静止電流の第１のモード及びより高い動作静止電流の第２のモードを有するコモンモード調光器を備えてもよく、コモンモード調光器は、２線式伝送線に結合するように、かつ所望のコモンモード基準電圧でその伝送線上のコモンモード電圧を維持するように適合されてもよく、２線式伝送線は、差動信号を搬送してもよく、コモンモード調光器は、２線式伝送線上のコモンモード電圧が、高コモンモード基準電圧と低コモンモード基準電圧との間にあり得るときに第１のモードにあってもよく、さもなければ第２のモードにあってもよい。

更なる実施形態によれば、高コモンモード基準電圧が、電源電圧より小さく、所望のコモンモード基準電圧が、高コモンモード基準電圧より小さく、低コモンモード基準電圧が、所望のコモンモード基準電圧より小さく、かつ接地又は共通電源より大きい。更なる実施形態によれば、所望のコモンモード基準電圧が、電源電圧の約半分であってもよい。電源電圧の半分であるための許容誤差は、例えば、１％、５％又は１０％以内であり得る。更なる実施形態によれば、バルク電流注入（ＢＣＩ）事象が、コモンモード電圧を、高コモンモード基準電圧を上回らせるようにしてもよく、又は低コモンモード基準電圧を下回らせるようにしてもよく、コモンモード調光器が、第２のモードにあってもよい。更なる実施形態によれば、コモンモード調光器は、第２のモードから第１のモードに変更する前に、コモンモード電圧を高コモンモード基準電圧と低コモンモード基準電圧との間に戻させてもよい。

更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が所望のコモンモード基準電圧を上回り得る場合、コモンモード調光器は、２線式伝送線から接地又は共通電源へと電流を吸い込んでもよい。更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が所望のコモンモード基準電圧を下回り得る場合、コモンモード調光器は、２線式伝送線へと電源電圧から電流を吐き出してもよい。更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が高コモンモード基準電圧より大きいか又は低コモンモード基準電圧より小さい可能性がある場合、ＢＣＩ事象は、２線式伝送線上のコモンモード電流の少なくとも２００ミリアンペアを生じさせ得、コモンモード調光器は、第２のモードにあり得る。

別の実施形態によれば、低い動作静止電流モード及び高い動作静止電流モードを有する適応型コモンモード調光器を使用することによって、差動信号伝送線上のコモンモード電圧を低減する方法は、低い動作静止電流の第１のモード及びより高い動作静止電流の第２のモードを有するコモンモード調光器を提供するステップと、コモンモード調光器を、２線式伝送線上のコモンモード電圧を所望のコモンモード基準電圧に維持するための２線式伝送線に結合するステップであって、２線式伝送線は差動信号を搬送する、結合するステップと、２線式伝送線上のコモンモード電圧が高コモンモード基準電圧と低コモンモード基準電圧との間にあり得るときに、コモンモード調光器を第１のモードで動作させるステップと、２線式伝送線上のコモンモード電圧が、高コモンモード基準電圧より大きいか又は低コモンモード基準電圧より小さい可能性があるときに、コモンモード調光器を第２のモードで動作させるステップと、を含んでもよい。

本方法の更なる実施形態によれば、高コモンモード基準電圧は、電源電圧より小さくてもよく、所望のコモンモード基準電圧は、高コモンモード基準電圧より小さくてもよく、低コモンモード基準電圧は、所望のコモンモード基準電圧より小さく、かつ接地又は共通電源より大きくてもよい。本方法の更なる実施形態によれば、所望のコモンモード基準電圧は、電源電圧の約半分であってもよい。本方法の更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が高コモンモード基準電圧を上回り得るか、又は低コモンモード基準電圧を下回り得る場合、バルク電流注入（ＢＣＩ）事象中にコモンモード調光器を第２のモードにさせるステップを含んでもよい。本方法の更なる実施形態によれば、コモンモード調光器が第２のモードにあり得る場合、コモンモード電圧を高コモンモード基準電圧と低コモンモード基準電圧との間に戻すステップを含んでもよい。本方法の更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が所望のコモンモード基準電圧を上回り得る場合、２線式伝送線から接地又は共通電源へと電流を吸い込むステップを含んでもよい。本方法の更なる実施形態によれば、コモンモード電圧が所望のコモンモード基準電圧を下回り得る場合、２線式伝送線へと電源電圧から電流を吐き出すステップを含んでもよい。

更に別の実施形態によれば、低い動作静止電流モード及び高い動作静止電流モードを有する適応型コモンモード調光器を有する、差動伝送線上で信号を伝送するためのシステムは、差動信号送信機に結合している第１の適応型コモンモード調光器を有する差動信号送信機と、差動信号受信機に結合している第２の適応型コモンモード調光器を有する差動信号受信機と、差動信号送信機と差動信号受信機とを結合する差動信号伝送線と、を備えてもよく、第１及び第２の適応型コモンモード調光器は、それぞれ、低い動作静止電流の第１のモード及びより高い動作静止電流の第２のモードを有し、第１及び第２の適応型コモンモード調光器は、２線式伝送線上のコモンモード電圧が、高コモンモード基準電圧と低コモンモード基準電圧との間にあり得るときに第１のモードにあってもよく、さもなければ第２のモードにあってもよい。

更に別の実施形態によれば、適応型コモンモード調光器は、電源電圧と２線式伝送線との間に結合された第１の組の電流ドライバと、接地又は共通電源と２線式伝送線との間に結合された第２の組の電流ドライバと、それぞれ、第１及び第２の組の電流ドライバに結合され、第１及び第２の組の電流ドライバを制御する出力と、２線式伝送線に結合された第１の入力と、第１の基準電圧に結合された第２の入力とを有する、第１及び第２の電圧比較器であって、第１の基準電圧は、電源電圧より小さくてもよく、かつ接地又は共通電源より大きくてもよく、２線式伝送線上のコモンモード電圧が第１の基準電圧より大きくなり得る場合、第２の組の電流ドライバは、第１の組の電流ドライバが吐き出す電流より多くの電流を吸い込み、また、２線式伝送線上のコモンモード電圧が第１の基準電圧より小さくなり得る場合、第１の組の電流ドライバは、第２の組の電流ドライバが吸い込む電流より多くの電流を吐き出す、第１及び第２の電圧比較器と、第２の基準電圧に結合された第１の入力と、２線式伝送線に結合された第２の入力と、コモンモード電圧が第２の基準電圧より大きくなり得る場合、それらの動作静止電流を増加させるために第２の組の電流ドライバに結合された出力とを有する、第３の電圧比較器であって、第２の基準電圧は、第１の基準電圧より大きくてもよい、第３の電圧比較器と、第３の基準電圧に結合された第１の入力と、２線式伝送線に結合された第２の入力と、コモンモード電圧が第３の基準電圧より小さくなり得る場合、それらの動作静止電流を増加させるために第１の組の電流ドライバに結合された出力とを有する、第４の電圧比較器であって、第３の基準電圧は、第１の基準の電圧より小さくてもよい、第４の電圧比較器と、を備えてもよい。

更なる実施形態によれば、第１の基準電圧は、電源電圧の約半分であってもよい。更なる実施形態によれば、第１のバッファトランジスタが、第４の電圧比較器の出力と第１の組の電流ドライバとの間にあってもよい。更なる実施形態によれば、第２のバッファトランジスタが、第３の電圧比較器の出力と第２の組の電流ドライバとの間にあってもよい。
本開示に関するより完璧な理解は、添付の図面と合わせて、以下の説明を参照することで、得られ得る。

本開示の教示に従う、差動送信機及び受信機対に結合されたコモンモード調光器をそれぞれ有する差動送信機及び受信機対の概略ブロック図を示す。 本開示の教示に従う、コモンモード調光器の概略図を示す。 本開示の特定の例示的実施形態に従う、適応型コモンモード調光器の概略図を示す。 本開示の教示に従う、差動送受信機対に結合されたコモンモード調光器をそれぞれ有する差動送受信機対の概略ブロック図を示す。

本開示は、様々な修正及び代替の形態が可能である一方で、それらの特定の例示的実施形態が、図で示され、本明細書で詳細に記述される。しかしながら、特定の例示的実施形態に関する本明細書の説明は、本開示を本明細書で開示された形態に限定する意図はないことを、理解されるであろう。

必要とされるときにのみ出力電流能力を増加させるために、コモンモード（ＣＭ）調光器回路には適応モードが追加されている。ＣＭ調光器中に適応モードを有しないと、出力電流ドライバは、バルク電流注入（ＢＣＩ）事象を処理するために、大きな静止電流で動作しなければならない。したがって、適応モードを有さないＣＭ調光器は、ＢＣＩ事象が発生していないときでさえも、かなりの量の電力を消費する。適応モードを有すると、ＣＭ調光器は、通常の回路動作中に最小限の電力を消費しながら、例えば、トランスレス式の物理層（ＰＨＹ）接続において、ＢＣＩ事象を抑制するために効果的に使用することができる。

図面を参照すると、例示的実施形態に関する詳細について、概略的に示す。図面の類似の要素は、類似の番号で示し、同様の要素は、異なる小文字の添え字が付いた同じ番号で示す。

図１を参照すると、本開示の教示に従う、差動送信機及び受信機対に結合されたコモンモード調光器をそれぞれ有する差動送信機及び受信機対の概略ブロック図が描写されている。図１は、送信機１１４及び受信機１１６にそれぞれ結合されたコモンモード（ＣＭ）調光器回路１０４、１０８をそれぞれ有する、差動出力を有する送信機１１４と差動入力を有する受信機１１６との間の簡略化された典型的な接続を示す。差動送信機１１４と差動受信機１１６との間の電気信号接続は、伝送線１１０、例えば、非シールドツイストペア（unshielded twisted pair、ＵＴＰ）ワイヤ又は同軸（シールド付き）ケーブルを形成する一対のワイヤを有してもよい。

任意の外部干渉からのコモンモード電流Ｉ_BCI（電流源１１２によって表される）は、容量結合、電磁干渉によって注入されてもよく、及び／又は伝送線路１１０の上に磁気的に誘導されてもよい。この現象は、一般に「バルク電流注入」（ＢＣＩ）と呼ばれる。このＢＣＩ事象中、コモンモード電圧（伝送線１１０を形成する差動的に接続された一対のワイヤ（ＯＵＴＰ、ＯＵＴＮ、ＩＮＰ、ＩＮＮ）のワイヤ及び接地の間の電圧）は、注入されたＣＭ電流Ｉ_BCIが正であるときに増加し、負であるときに減少する。次いで、ＣＭ調光器回路１０４、１０８は、差動的に接続された一対のワイヤ１１０の上に電流を吐き出すか又は吸い込んで、ＢＣＩ事象からの外部から誘導されたコモンモード電流Ｉ_BCIを相殺する。

図４を参照すると、本開示の教示に従う、差動送受信機対に結合されたコモンモード調光器をそれぞれ有する差動送受信機対の概略ブロック図が描写されている。送受信機４１４及び４１６は、差動伝送線１１０と共に結合されており、差動伝送線１１０上で通信する。送受信機４１４及び４１６の動作は、図１に示される差動送信機１０２及び受信機１０６対と機能的に同じであるが、半二重モードで通信することができる。通信の全二重モードでは、第２の差動伝送線が提供されてもよく（図示せず）、受信機４０６と送信機４０２との間に直接結合されてもよいが、この構成では、追加のＣＭ調光器が、第２の差動伝送線に対して提供され、かつ第２の差動伝送線に結合されなければならないであろう。

図２を参照すると、本開示の教示に従う、コモンモード調光器の概略図が描写されている。ＣＭ調光器回路１０４、１０８のそれぞれは、電圧比較器２２４、２２６、抵抗器２２０、２２２、２３６、２３８及びトランジスタ２２８、２３０、２３２、２３４、２４０、２４２、２４４、２４６を備えてもよい。番号付けされていない追加の抵抗器及びコンデンサは、本明細書の議論に関連しないが、回路の完全性のために含まれている。図２に示されるＣＭ調光器回路１０４、１０８は、差動信号対ＳＩＧＰ、ＳＩＧＮのコモンモード電圧、Ｖｃｍを測定し、それをコモンモード基準電圧、Ｖｍｉｄ（Ｖｍｉｄ＝Ｖ_DD／２、抵抗器２２０及び２２２の値は同じである）と実質的に同じであるように調整する。ＣＭ調光器回路１０４、１０８は、比較器２２４及び２２６、並びにミラートランジスタ２２８及び２３４を通るトランジスタ２４０及び２４２（同様にトランジスタ２４４及び２４６）のゲート電圧、したがって、電流を増加又は減少させる。ＶｃｍがＶｍｉｄより大きいとき、比較器２２４はトランジスタ２３０をオフにし、比較器２２６はトランジスタ２３２をオンにする。ＶｃｍがＶｍｉｄより小さいとき、比較器２２４はトランジスタ２３０をオンにし、比較器２２６はトランジスタ２３２をオフにする。例えば、ＶｃｍがＶｍｉｄより高いとき、比較器２２４及び２２６は、トランジスタ２２８及び２３４のゲート電圧を増加させる。この電流ミラーリングのため、トランジスタ２４０及び２４４は電流の吐き出しを少なくし、トランジスタ２４２及び２４６は、より多くの電流を吸い込み、その結果、コモンモード電圧Ｖｃｍはこのフィードバック動作を通じて低減される。

ＢＣＩ事象によって引き起こされるＣＭ電流の量は非常に大きくなり得るため、トランジスタ２４０、２４２、２４４、２４６は、数百ミリアンペアのＣＭ電流を発生させ得るＢＣＩ事象によって引き起こされるＣＭ電流の一部を吐き出し、吸い込むように設計される。これだけ大きいＣＭ電流を吐き出し、吸い込むために、これらのトランジスタ２４０、２４２、２４４、２４６は、高い静止電流で動作し（バイアスされ）なければならない。しかしながら、通常動作中、ＢＣＩ事象が発生しない場合、適切なときにトランジスタ２４０、２４２、２４４、２４６をそれらの飽和領域（ハードなオン状態）に維持しながら、回路電力消費を最小化するために、静止電流の低減が望まれる。

例えば、トランジスタ２４０、２４２、２４４、２４６が、ＢＣＩ事象中に２００ミリアンペアのＣＭ電流能力を有するために、２０倍の電流比を仮定すると、トランジスタ２２８及び２３４の回路は、最大１０ミリアンペアを伝導するように設計され得る。しかしながら、通常動作下では、トランジスタ２２８及び２３４は、この最大電流のおよそ半分か、又は５ミリアンペアを消費することになり、これは、トランジスタ２４０、２４２、２４４、２４６が１００ミリアンペアの静止電流を有することを意味する。１００ミリアンペアは、ただ１つのＣＭ調光器回路には莫大な電力消費であり、複数のＣＭ調光器がデータ伝送システムにおいて使用されることを考慮すると、大きな電力消費ペナルティが生じる。

図３を参照すると、本開示の特定の例示的実施形態に従う、適応型コモンモード調光器の概略図が描写されている。ＣＭ調光器１０４ａ、１０８ａは、抵抗器３２０、３４８、３５０及び３２２、電圧比較器３５２及び３５４、並びにトランジスタ３５６及び３５８の追加を伴って、図２に示されるＣＭ調光器１０４、１０８と同様の回路を備える。抵抗器３２０、３４８、３５０及び３２２は、基準電圧Ｖｈｉ、Ｖｍｉｄ及びＶｌｏを提供するために抵抗はしご型ネットワークとして構成され、ここで、Ｖｈｉ＞Ｖｍｉｄ＞Ｖｌｏである。図３に示されるＣＭ調光器１０４ａ、１０８ａは、通常動作条件下での低電力消費及びＢＣＩ事象中の高電流容量の両方を提供する。

比較器３５２、３５４及びトランジスタ３５６、３５８は、コモンモード電圧Ｖｃｍが、それぞれ、Ｖｈｉ又はＶｌｏより高い又は低い場合にのみ、トランジスタ２２８、２３４上に追加電流を提供する。通常動作下では、ＢＣＩ事象が発生することなく、トランジスタ２２８及び２３４はほとんど電流を消費せず、これは次にトランジスタ２４０、２４４、２４２及び２４６によって繰り返される。しかし、ＢＣＩ事象が発生すると、コモンモード電圧Ｖｃｍは、ＳＩＧＰ及びＳＩＧＮ信号線に注入される電流の量に応じて、Ｖｈｉより高くなり得るか、又はＶｌｏより低くなり得る。これが発生すると、トランジスタ２２８及び２３４、したがって、トランジスタ２４０、２４４、２４２及び２４６は、追加の電圧比較器３５２及び３５４、並びにトランジスタ３５６及び３５８に起因して、より多くの電流を吐き出し、吸い込むことになる。

前の実施例を参照すると、好ましくは、トランジスタ２２８及び２３４は、１０ミリアンペアの最大電流を有し、それにより、２０倍の電流比では、トランジスタ２４０、２４４、２４２及び２４６は、２００ミリアンペアのＢＣＩ事象を処理することができる。例示目的のために、限定するものではないが、トランジスタ２３０及び３５６を通って流れる最大電流は、それぞれ、１ミリアンペア及び９ミリアンペアに分割することができる。通常動作では、電圧ＶｃｍはＶｍｉｄに近くなるため、したがって、比較器３５２及び３５４はオフになる。したがって、トランジスタ３５６及び３５８を通って電流は流れない。トランジスタ２３０及び２３２を通って流れる電流は、トランジスタ２２８及び２３４を通って流れる電流と同じ量である約０．５ミリアンペアとなる。そこで、トランジスタ２４０及び２４２を通って流れる静止電流は、約１０ミリアンペアとなり、通常動作中の電力の大幅な節約となる。

トランジスタ３５６及び３５８と組み合わせて電圧比較器３５２及び３５４によって実行される適応モードは、必要とされるときにのみ、例えば、ＢＣＩ事象中に、出力電流能力を増大させるために使用されてもよい。電圧比較器３５２及び３５４並びにトランジスタ３５６及び３５８を有さないと、トランジスタ２４０、２４４、２４２及び２４６によって実装される出力電流ドライバは、ＢＣＩ事象を処理するために、常に、大きな静止電流で動作する必要があるであろう。

Claims (7)

1. 適応型コモンモード調光器であって、
   電源電圧と２線式伝送線との間に結合された第１の組の電流ドライバと、
   接地又は共通電源と前記２線式伝送線との間に結合された第２の組の電流ドライバと、
   第１及び第２の電圧比較器であって、
   それぞれ、前記第１及び第２の組の電流ドライバに結合され、前記第１及び第２の組の電流ドライバを制御する出力と、
   前記２線式伝送線に結合された第１の入力と、
   第１の基準電圧に結合された第２の入力であって、前記第１の基準電圧が、前記電源電圧より小さく、かつ前記接地又は共通電源より大きい、第２の入力と、を含む、第１及び第２の電圧比較器と、を備え、
   前記２線式伝送線上のコモンモード電圧が前記第１の基準電圧より大きいとき、前記第２の組の電流ドライバは、前記第１の組の電流ドライバが吐き出す電流より多くの電流を吸い込むように構成されており、
   前記２線式伝送線上の前記コモンモード電圧が前記第１の基準電圧より小さいとき、前記第１の組の電流ドライバは、前記第２の組の電流ドライバが吸い込む電流より多くの電流を吐き出すように構成されており、
   前記適応型コモンモード調光器は、
   第３の電圧比較器であって、
   第２の基準電圧に結合された第１の入力と、
   前記２線式伝送線に結合されるように構成された第２の入力と、
   前記コモンモード電圧が前記第２の基準電圧より大きいときに、それらの動作静止電流を増加させるように構成された前記第２の組の電流ドライバに結合された出力であって、前記第２の基準電圧が前記第１の基準電圧より大きい、出力と、を含む、第３の電圧比較器と、
   第４の電圧比較器であって、
   第３の基準電圧に結合された第１の入力と、
   前記２線式伝送線に結合された第２の入力と、
   前記コモンモード電圧が前記第３の基準電圧より小さいときに、それらの動作静止電流を増加させるように構成された前記第１の組の電流ドライバに結合された出力であって、前記第３の基準電圧が前記第１の基準電圧より小さい、出力と、を含む、第４の電圧比較器と、を更に備える、適応型コモンモード調光器。
2. 前記第１の基準電圧は、前記電源電圧の約１／２である、請求項１に記載の適応型コモンモード調光器。
3. 前記第４の電圧比較器の前記出力と前記第１の組の電流ドライバとの間に第１のバッファトランジスタを更に備える、請求項１又は２に記載の適応型コモンモード調光器。
4. 前記第３の電圧比較器の前記出力と前記第２の組の電流ドライバとの間に第２のバッファトランジスタを更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の適応型コモンモード調光器。
5. 低い動作静止電流モード及び高い動作静止電流モードを有する適応型コモンモード調光器を含む、差動伝送線上で信号を伝送するためのシステムであって、
   差動信号送信機に結合された第１の適応型コモンモード調光器を含む前記差動信号送信機と、
   差動信号受信機に結合された第２の適応型コモンモード調光器を含む前記差動信号受信機と、
   前記差動信号送信機及び前記差動信号受信機を結合する差動信号伝送線と、を備え、
   前記第１及び第２の適応型コモンモード調光器は、請求項１～４に記載の前記適応型コモンモード調光器のうちのいずれかに従って実装される、システム。
6. 低い動作静止電流モード及び高い動作静止電流モードを含む請求項１～４いずれか１項に記載の適応型コモンモード調光器を使用することによって、差動信号伝送線上のコモンモード電圧を低減するための方法。
7. 請求項５記載のシステムを使用することによって、差動信号伝送線上のコモンモード電圧を低減するための方法。

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