JP7382401B2

JP7382401B2 - 通知応答回路

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Publication number: JP7382401B2
Application number: JP2021522803A
Authority: JP
Inventors: 健一森岡
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: JPWO2020241670A1; CN113924733A; CN113924733B; WO2020241670A1; US20220247447A1

Description

本発明は、近距離無線通信の受信側回路に設けられた通知応答回路に関する。

近年、近距離無線通信（NFC: Near field communication）を用いた情報伝送や電力伝送が広く行われている。このような近距離無線通信の通信システムには、例えば電磁場を発生してデータを送信する送信側回路と、送信側回路が発生した電磁場に基づいて動作する受信側回路とが設けられている（例えば、特許文献１）。

このような近距離無線通信の通信システムにおいて、受信側回路から送信側回路に対して通知応答を行うための手段として、受信側回路がインピーダンス変化を起こすことにより、送信側に流れる電流量を変化させることが行われている。送信側回路では、このときに発生した電流変化を受信側回路からの通知応答として処理する。

特開２０１８－１９６２２５号公報

受信側回路においてインピーダンス変化を起こすためには、マッチング用キャパシタの切り替えを行う、シャント回路を制御してクランプ電圧を切り替える、負荷抵抗を切り替える等の手段を用いることが考えられる。

しかしながら、送信側回路と受信側回路との間の距離や電磁場の周波数等の関係によっては、上記のような手段を用いてもインピーダンス変化が生じない場合がある。例えば、異なる抵抗値で同じインピーダンスとなる周波数のポイントが存在する。このような周波数で受信側回路の負荷抵抗を変化させても、送信側から見たインピーダンスは変化しない。このため、送信側回路が受信側回路からの通知応答を受け取ることができない場合があるという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、近距離無線通信における受信側回路から送信側回路への通知応答を円滑に行うことが可能な通知応答回路を提供することを目的とする。

本発明に係る通知応答回路は、外部の電磁場に基づいて電流を生成可能な受信コイルと、前記受信コイルに接続され、複数のキャパシタを有してキャパシタンスを変化させることが可能な可変キャパシタ回路、基準電圧の電圧値に応じて前記受信コイルとの間の一対の接続ラインの間の電圧であるクランプ電圧の電圧値を変化させることが可能な電圧出力回路、及び複数の抵抗を有して抵抗値を変化させることが可能な可変抵抗回路の少なくとも２つの回路を有する特性可変回路と、前記少なくとも２つの回路のうちのいずれかを選択的に切り替えて制御し、前記受信コイルと前記受信コイルに接続された回路部分のインピーダンスを変化させる切替制御回路と、を備え、前記インピーダンス値は、前記キャパシタンス、前記クランプ電圧の電圧値又は前記抵抗値の変化によって変化し、前記切替制御回路は、前記インピーダンスの変化による前記電磁場の強度の変化が所定値未満であった場合に、前記少なくとも２つの回路の切り替えを行うことを特徴とする。

本発明の通知応答回路によれば、受信側回路から送信側回路への通知応答を円滑に行うことが可能となる。

本実施例の無線通信システムの構成を示すブロック図である。マッチング用キャパシタ回路の構成を抜き出して示す回路図である。シャント回路の構成を抜き出して示す回路図である。負荷抵抗回路の構成を抜き出して示す回路図である。送信側回路の動作を示すフローチャートである。受信側回路の動作を示すフローチャートである。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本実施例の通信システム１００の構成を示す回路図である。通信システム１００は、送信側回路１０及び受信側回路２０から構成されている。送信側回路１０は、例えばＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）のリーダライタに設けられている。受信側回路２０は、例えばＲＦＩＤのパッシブタグに設けられている。

送信側回路１０及び受信側回路２０は、送信コイルＴＣ及び受信コイルＲＣを介して、電磁波を利用した近距離無線通信の規格に準じた通信を行う通信回路である。本実施例では、送信コイルＴＣにより一定の強さを有する高周波（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の交流磁界が形成される場合を例として説明する。受信コイルＲＣは、この交流磁界に磁界結合することにより交流電流を生成し、受信側回路２０の各部に当該交流電流を供給する。

送信側回路１０は、送信コイルＴＣが発生する電磁場を介して情報パケットの送信を行う。例えば、本実施例の送信側回路１０は、受信側回路２０に対して通知応答を要求する通知応答要求を情報パケットとして送信する。送信側回路１０は、送信制御回路１１及び電流変化検出回路１２を含む。

送信制御回路１１は、送信側回路１０の各部の動作を制御する。例えば、送信制御回路１１は、送信コイルＴＣを介した情報パケットの送受信を制御する。送信制御回路１１は、ラインＬ１及びＬ２を介して送信コイルＴＣに接続されている。

電流変化検出回路１２は、ラインＬ１及びＬ２を介して送信コイルＴＣに接続されている。電流変化検出回路１２は、送信コイルＴＣからラインＬ１及びＬ２に流れる電流の変化を検出し、検出結果を送信制御回路１１に通知する。

受信側回路２０は、受信コイルＲＣに接続され、受信側回路２０は、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の磁界結合に基づいて、送信側回路１０から送信された情報パケットを受信する回路である。なお、受信側回路２０は、例えば受電回路（図示せず）を有し、送信コイルＴＣにより発生した電磁場を介して、送信側回路１０から電力供給を受けて動作する回路であってもよい。

また、受信側回路２０は、送信側回路１０からの通知応答要求に対して、受信コイルＲＣに接続された回路部分（例えば、受信側回路２０内の回路部分２０Ａ）の回路特性を変化させることにより、送信側回路１０への通知応答を行う。

例えば、本実施例の受信側回路２０は、送信側回路１０から送信された通知応答要求に応じて、受信コイルＲＣ及び受信コイルＲＣに接続された回路部分のインピーダンス（以下、受信側のインピーダンスと称する）を変化させる。これにより、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の磁界の強さが変化し、送信側回路１０のラインＬ１及びＬ２を流れる電流が変化する。送信側回路１０は、かかる電流の変化を、受信側回路２０からの通知応答として検出する。すなわち、本実施例の受信側回路２０は、近距離無線通信における受信側から送信側への通知応答を行う通知応答回路を受信コイルＲＣとともに構成している。

受信側回路２０は、受信制御回路２１、マッチングキャパシタ回路２２、シャント回路２３、負荷抵抗回路２４及び通知応答切替回路２５を含む。マッチングキャパシタ回路２２、シャント回路２３及び負荷抵抗回路２４の各々は、ラインＬ３及びＬ４を介して受信コイルＲＣに接続されている。

受信制御回路２１は、送信側回路１０からの情報パケットの受信を制御する制御回路である。また、受信制御回路２１は、受信側回路２０の各部の動作を制御する。例えば、受信制御回路２１は、通知応答切替回路２５を制御して、通知応答処理の動作を実行させる。また、受信制御回路２１は、受信コイルＲＣと送信コイルＴＣとの間に形成されている電磁界に状態の変化（例えば、磁界の強さの変化）が生じたか否かを判定する機能を有する。

図２は、マッチング用キャパシタ回路２２の構成を抜き出して示す回路図である。マッチング用キャパシタ回路２２は、切替スイッチＳＷ１ａ及び切替スイッチＳＷ１ｂ（図２に示す切替部ＳＷ１）と、キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２とから構成されている。

切替スイッチＳＷ１ａは、一端が接地され、他端をキャパシタＣ１に接続するかどうかを切り替える切替スイッチである。切替スイッチＳＷ１ａは、通知応答切替回路２５の制御に応じて接続の切り替えを行う。

切替スイッチＳＷ１ｂは、一端が接地され、他端をキャパシタＣ２に接続するかどうかを切り替える切替スイッチである。切替スイッチＳＷ１ｂは、通知応答切替回路２５の制御に応じて接続の切り替えを行う。

キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２は、互いに異なる静電容量を有するキャパシタである。キャパシタＣ１の一端は切替スイッチＳＷ１ａを介して接地されており、キャパシタＣ１の他端はラインＬ３に接続されている。キャパシタＣ２の一端は切替スイッチＳＷ１ｂを介して接地されており、キャパシタＣ２の他端はラインＬ４に接続されている。例えば、切替スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂの切り替えに応じてキャパシタＣ１及びキャパシタＣ２のいずれかが接地される。例えば、通知応答切替回路２５は、切替スイッチＳＷ１ａ、ＳＷ１ｂの両方をオフするように制御してもよい。

図３は、シャント回路２３の構成を抜き出して示す回路図である。シャント回路２３は、ラインＬ３及びＬ４を介して、受信コイルＲＣからラインＬ３及びＬ４に流れる電流を整流する整流回路（図示せず）に接続されている。シャント回路２３は、トランジスタＮＭ１、オペアンプＯＰ１、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、及び基準電圧発生回路３１を含む。

トランジスタＮＭ１は、例えばＮチャネル型ＭＯＳトランジスタから構成されている。トランジスタＮＭ１のソースはラインＬ４、ドレインはＬ３に接続されている。

オペアンプＯＰ１は、非反転入力端が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間の接続ノードに接続され、出力端がトランジスタＮＭ１のゲートに接続されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端には、基準電圧発生回路３１から出力された基準電圧が供給される。

抵抗Ｒ１の一端は、ラインＬ３に接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、ラインＬ４に接続されている。抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２の各々の他端は、互いに接続されるとともにオペアンプＯＰ１の非反転入力端に接続されている。すなわち、オペアンプＯＰ１の非反転入力端には、ラインＬ３及びＬ４の電圧を抵抗Ｒ１及びＲ２で案分した電圧が供給される。

基準電圧発生回路３１は、基準電圧を生成してオペアンプＯＰ１の非反転入力端に供給する。その際、基準電圧発生回路３１は、通知応答切替回路２５の制御に応じて、基準電圧の電圧値を切り替える。

シャント回路２３は、ラインＬ３及びＬ４を抵抗Ｒ１及びＲ２で案分した電圧と基準電圧とを比較して、定電圧（以下、クランプ電圧と称する）を出力する回路である。本実施例では、通知応答切替回路２５の制御により基準電圧発生回路３１が生成する基準電圧の電圧値が切り替わるため、これに応じてクランプ電圧の電圧値が切り替わる。

図４は、負荷抵抗回路２４の構成を抜き出して示す回路図である。負荷抵抗回路２４は、切替スイッチＳＷ２ａ及び切替スイッチＳＷ２ｂ（図２に示す切替部ＳＷ２）と、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４とから構成されている。

切替スイッチＳＷ２ａは、一端が接地され、他端を抵抗Ｒ３に接続するかどうかを切り替える切替スイッチである。切替スイッチＳＷ２ａは、通知応答切替回路２５の制御に応じて接続の切り替えを行う。

切替スイッチＳＷ２ｂは、一端が接地され、他端を抵抗Ｒ４に接続するかどうかを切り替える切替スイッチである。切替スイッチＳＷ２ｂは、通知応答切替回路２５の制御に応じて接続の切り替えを行う。

抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４は、互いに異なる抵抗値を有する負荷抵抗である。抵抗Ｒ３の一端は切替スイッチＳＷ２ａを介して接地されており、抵抗Ｒ３の他端はラインＬ３に接続されている。抵抗Ｒ４の一端は切替スイッチＳＷ２ｂを介して接地されており、抵抗Ｒ４の他端はラインＬ４に接続されている。例えば、切替スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂの切り替えに応じて抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４のいずれかが接地される。例えば、通知応答切替回路２５は、切替スイッチＳＷ２ａ、ＳＷ２ｂの両方をオフするように制御してもよい。

このように、マッチング用キャパシタ回路２２は自身のキャパシタを変化させ、シャント回路２３はラインＬ３及びＬ４の間のクランプ電圧を変化させ、負荷抵抗回路２４は受信コイルＲＣに接続される負荷抵抗の抵抗値を変化させる。すなわち、マッチング用キャパシタ回路２２、シャント回路２３及び負荷抵抗回路２４は、受信コイルＲＣに接続された回路部分の回路特性を変化させる可変特性回路である。

通知応答切替回路２５は、マッチング用キャパシタ回路２２、シャント回路２３及び負荷抵抗回路２４のいずれかをセレクタＳＬを介して選択的に切替制御し、キャパシタクランプ電圧又は負荷抵抗の切り替えを実行させる回路である。かかる切替制御は、受信側回路２０から送信側回路１０への通知を円滑に行うために行われる。これについて、以下説明する。

例えば、マッチング用キャパシタ回路２２においてキャパシタの切り替えを行うと、通常の場合、受信側のインピーダンスに変化が生じる。しかし、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の距離や、周波数の関係によっては、インピーダンスの変化がほとんど生じないポイント（条件）が存在する。同様に、シャント回路２３におけるクランプ電圧の切り替え、負荷抵抗回路２４における負荷抵抗の切り替えを行った場合でも、受信側のインピーダンスに変化がほとんど生じない場合がある。インピーダンスの変化が生じないと、送信側回路１０と受信側回路２０との間の通信状態（例えば、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の磁界の強さ等）に変化が生じず、送信側回路１０において電流の変化が検出されないため、送信側回路１０は受信側回路２０からの通知応答を受け取ることができない。

本実施例の通知応答切替回路２５は、このような状態を避け、受信側回路２０から送信側回路１０への円滑な通知応答を可能とするために設けられている。すなわち、通知応答切替回路２５が制御対象となる回路の切り替えを適宜行い、いずれかの可変特性回路を用いてインピーダンスの変化を生じさせることにより、円滑に通知応答を行うことが可能となる。

次に、通信システム１００における通知応答処理の処理ルーチンについて説明する。まず、送信側回路１０の動作について、図５のフローチャートを参照して説明する。

送信側回路１０の送信制御回路１１は、送信コイルＴＣにより生成された電磁場を介して受信側回路２０に通知応答要求を送信する（ＳＴＥＰ１０１）。

通知応答要求に対する通知応答の動作が受信側回路２０によってなされ、インピーダンスに変化が生じると、送信コイルＴＣ及び受信コイルＲＣの間の磁界に変化が生じ、ラインＬ１及びＬ２を流れる電流に変化が生じる。電流変化検出回路１２は、当該電流の変化を検出する。

送信制御回路１１は、電流変化検出回路１２によりラインＬ１及びＬ２を流れる電流の変化が検出されたか否かを判定する（ＳＴＥＰ１０２）。例えば、送信制御回路１１は、所定値以上の電流値の変化が生じた場合に、電流の変化が検出されたと判定する。電流の変化が検出されないと判定すると（ＳＴＥＰ１０２：ＮＯ）、ＳＴＥＰ１０１に戻り、再び受信側回路２０への通知応答要求を行う。

一方、電流の変化が検出されたと判定すると（ＳＴＥＰ１０２：ＹＥＳ）、送信制御回路１１は、送信停止等の処理を行い（ＳＴＥＰ１０３）、通知応答処理のための動作を終了する。

なお、所定回数の通知応答要求の実行又は所定時間の経過にも関わらず電流の変化が検出されなかった場合、ＳＴＥＰ１０１に戻らずにタイムアウトとして処理を終了するようにしてもよい。

次に、受信側回路２０の動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。

まず、受信側回路２０の受信制御回路２１は、送信側回路１０から通知応答要求を受信したか否かを判定する（ＳＴＥＰ２０１）。通知応答要求を受信していないと判定すると（ＳＴＥＰ２０１：ＮＯ）、処理を終了する。

一方、通知応答要求を受信したと判定すると（ＳＴＥＰ２０１：ＹＥＳ）、受信制御回路２１は、通知応答切替回路２５を制御して、通知応答処理の動作を実行させる。

通知応答切替回路２５は、セレクタＳＬを用いた切替制御により、通知応答に用いる特性可変回路としてシャント回路２３を選択する（ＳＴＥＰ２０２）。シャント回路２３は、通知応答切替回路２５の制御に応じてクランプ電圧の切り替えを行う（ＳＴＥＰ２０３）。

受信制御回路２１は、シャント回路２３によるクランプ電圧の切り替えにより、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の電磁場の変化が生じたか否か（すなわち、状態変化が確認されたか）を判定する（ＳＴＥＰ２０４）。例えば、クランプ電圧の切り替えにより受信側のインピーダンスに変化が生じた場合、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の磁界の強さが変化する。受信制御回路２１は、例えば所定値以上の磁界強度の変化が生じた場合に、状態変化が確認されたと判定する。受信制御回路２１は、状態変化が確認されたと判定すると（ＳＴＥＰ２０４：ＹＥＳ）、通知応答が送信側回路１０に伝わったとみなして、処理を終了させる。

一方、状態変化が確認されない場合（ＳＴＥＰ２０４：ＮＯ）、通知応答切替回路２５は、切替制御により、通知応答に用いる特性可変回路としてマッチング用キャパシタ回路２２を選択する（ＳＴＥＰ２０５）。マッチング用キャパシタ回路２２は、通知応答切替回路２５の制御に応じてキャパシタの切り替えを行う（ＳＴＥＰ２０６）。

受信制御回路２１は、マッチング用キャパシタ回路２２におけるキャパシタの切り替え（すなわち、キャパシタンスの変化）により、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の電磁場の変化が生じたか否か（すなわち、状態変化が確認されたか）を判定する（ＳＴＥＰ２０７）。ＳＴＥＰ２０３と同様に、受信制御回路２１は、例えば所定値以上の磁界強度の変化が生じた場合に、状態変化が確認されたと判定する。受信制御回路２１は、状態変化が確認されたと判定すると（ＳＴＥＰ２０７：ＹＥＳ）、通知応答が送信側回路１０に伝わったとみなして、処理を終了させる。

一方、状態変化が確認されない場合（ＳＴＥＰ２０７：ＮＯ）、通知応答切替回路２５は、切替制御により、通知応答に用いる特性可変回路として負荷抵抗回路２４を選択する（ＳＴＥＰ２０８）。負荷抵抗回路２４は、通知応答切替回路２５の制御に応じて負荷抵抗の切り替えを行う（ＳＴＥＰ２０９）。

受信制御回路２１は、負荷抵抗の切り替えにより、送信コイルＴＣと受信コイルＲＣとの間の電磁場の変化が生じたか否か（すなわち、状態変化が確認されたか）を判定する（ＳＴＥＰ２１０）。ＳＴＥＰ２０３と同様に、受信制御回路２１は、例えば所定値以上の磁界強度の変化が生じた場合に、状態変化が確認されたと判定する。状態変化が確認されない場合（ＳＴＥＰ２１０：ＮＯ）、再びＳＴＥＰ２０１に戻り、受信側回路２０は、送信側回路１０からの通知応答要求の受信を待つ。

一方、状態変化が確認されたと判定すると（ＳＴＥＰ２１０：ＹＥＳ）、受信制御回路２１は、通知応答が送信側回路１０に伝わったとみなして、通知応答処理を終了させる。

なお、図６では、シャント回路２３、マッチング用キャパシタ回路２２及び負荷抵抗回路２４の順番に通知応答手段として切り替えるかどうかを判定しているが、通知応答手段における判定の順番は任意である。

以上のように、本実施例の受信側回路２０（すなわち、通知応答回路）では、通知応答切替回路２５が、受信制御回路２１が電磁場の変化を確認しつつ、通知応答切替回路２５を制御して、通知応答手段としての特性可変回路（マッチング用キャパシタ回路２２、シャント回路２３及び負荷抵抗回路２４）の切り替えを行う。これにより、ある通知応答手段では受信側のインピーダンスの変化が生じないような条件下においても、通知応答手段の切り替えを行うことにより、他の通知応答手段を用いてインピーダンスの変化を生じさせることが可能となる。

従って、本実施例の通知応答回路によれば、近距離無線通信の受信側から送信側への通知応答を円滑に行うことが可能となる。

なお、本発明は上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、受信側回路２０がマッチング用キャパシタ回路２２、シャント回路２３及び負荷抵抗回路２４を有し、通知応答切替回路２５がこれらを選択的に切替制御することにより通知応答を行う構成について説明した。しかし、必ずしもこれら３つを全て有していなくてもよく、少なくとも２つの通知応答手段を有し、これらを選択的に切り替えることが可能に構成されていればよい。また、これら以外の他の手段を含む４つ以上の通知応答手段を有していてもよい。

１００通信システム
１０送信側回路
１１送信制御回路
１２電流変化検出回路
２０受信側回路
２１受信制御回路
２２マッチング用キャパシタ回路
２３シャント回路
２４負荷抵抗回路
２５通知応答切替回路
３１基準電圧発生回路

Claims

外部の電磁場に基づいて電流を生成可能な受信コイルと、
前記受信コイルに接続され、複数のキャパシタを有してキャパシタンスを変化させることが可能な可変キャパシタ回路、基準電圧の電圧値に応じて前記受信コイルとの間の一対の接続ラインの間の電圧であるクランプ電圧の電圧値を変化させることが可能な電圧出力回路、及び複数の抵抗を有して抵抗値を変化させることが可能な可変抵抗回路の少なくとも２つの回路を有する特性可変回路と、
前記少なくとも２つの回路のうちのいずれかを選択的に切り替えて制御し、前記受信コイルと前記受信コイルに接続された回路部分のインピーダンスを変化させる切替制御回路と、
を備え、
前記インピーダンス値は、前記キャパシタンス、前記クランプ電圧の電圧値又は前記抵抗値の変化によって変化し、
前記切替制御回路は、前記インピーダンスの変化による前記電磁場の強度の変化が所定値未満であった場合に、前記少なくとも２つの回路の切り替えを行うことを特徴とする通知応答回路。
前記インピーダンス値の変化によって変わった前記電磁場の強度に基づいて、外部回路からの信号に対する応答を行うことを特徴とする請求項１に記載の通知応答回路。
前記特性可変回路は、前記可変キャパシタ回路を有し、
前記可変キャパシタ回路は、前記複数のキャパシタの接続を切り替える少なくとも１つの第１のスイッチング素子をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の通知応答回路。
前記特性可変回路は、前記電圧出力回路を有し、
前記電圧出力回路は、前記一対の接続ラインを介して前記受信コイルに接続され、前記基準電圧の電圧値と前記一対の接続ラインの間の電圧の電圧値とを比較することにより、前記一対の接続ラインの間に定電圧を出力するシャント回路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の通知応答回路。
前記特性可変回路は、前記可変抵抗回路を有し、
前記可変抵抗回路は、前記複数の抵抗の接続を切り替える少なくとも１つの第２のスイッチング素子をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の通知応答回路。