(57)【要約】【課題】直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようにする。【解決手段】差動通信装置は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置であって、差動信号を伝送する外部の信号線と接続するコネクタと、通信を行う通信回路とコネクタとの間を接続する一対の信号線上に設けられるコモンモードチョークコイルと、差動信号に重畳される直流電力を給電又は受電する電力回路と、一対の信号線の各々に対応して通信回路とコモンモードチョークコイルとの間に設けられ、通信回路とコモンモードチョークコイルとの間に接続される容量素子、及び電力回路とコモンモードチョークコイルとの間に接続される誘導素子を含む一対のレギュレータ回路と、を有する。【選択図】図１
2019047165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置であって、
前記差動信号を伝送する外部の信号線と接続するコネクタと、
前記通信を行う通信回路と前記コネクタとの間を接続する一対の信号線上に設けられるコモンモードチョークコイルと、
前記差動信号に重畳される前記直流電力を給電又は受電する電力回路と、
前記一対の信号線の各々に対応して前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に設けられ、前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される容量素子、及び前記電力回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される誘導素子を含む一対のレギュレータ回路と、
を有する、差動通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差動通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
差動信号を用いて通信を行う通信システムにおいて、差動信号に直流電力を重畳させて電力を供給する、ＰｏＤＬ（Power over DataLines）、ＰｏＥ（Power over Ethernet）等と呼ばれる通信システムが知られている。
【０００３】
また、給電回路に接続される２個の給電巻線部と、信号伝送回路に接続される信号巻線部とを含むトランスと、トランスとケーブルとの間に接続されたコモンモードチョークコイルとを有する２線式給電通信装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−４６６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された技術では、２個の給電巻線部はコンデンサを介して直列に接続され、かつコンデンサの一方の端子は、例えば、回路接地電位に接続されている。このように、差動通信路に電源のみを供給する場合には、差動通信路がアンバランスとならないようにするために、差動通信路間にコンデンサ等の回路素子を追加することができる。
【０００６】
一方、例えば、車載イーサネット（Ethernet：登録商標）等のように、数１０Ｍｂｐｓ〜数１００Ｍｂｐｓの高速な信号を伝送する差動通信装置では、差動通信路の各々に、直流電力を重畳させるための回路（レギュレータ回路）が設けられる。この場合、レギュレータ回路に含まれる回路素子のばらつき等により、差動通信路がアンバランスになりイミュニティ性能（対ノイズ性）が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明の実施の形態は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の一実施形態に係る差動通信装置は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置であって、前記差動信号を伝送する外部の信号線と接続するコネクタと、前記通信を行う通信回路と前記コネクタとの間を接続する一対の信号線上に設けられるコモンモードチョークコイルと、前記差動信号に重畳される前記直流電力を給電又は受電する電力回路と、前記一対の信号線の各々に対応して前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に設けられ、前記通信回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される容量素子、及び前記電力回路と前記コモンモードチョークコイルとの間に接続される誘導素子を含む一対のレギュレータ回路と、を有する。
【０００９】
差動信号を用いて通信を行う差動通信装置では、差動信号のバランスがとれていることが重要であり、アンバランスになるとコモンノイズ成分が差動信号成分に変換されて、通信エラーの要因となる。
【００１０】
そこで、本発明では、差動通信エラーの要因が、コモンモードノイズが差動信号にモード変換されることであることに着目し、コモンモードチョークコイルでコモン成分が除去されて、信号成分が安定した箇所にレギュレータ回路を設ける。これにより、差動通信装置は、差動通信路の安定化（バランス化）を図ることができるので、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施の形態によれば、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る差動通信システムの構成例を示す図である。
【図２】一実施形態に係るコモンモードチョークコイルの特性の一例を示す図である。
【図３】一実施形態に係るレギュレータ回路の追加による影響の一例を示す図である。
【図４】一実施形態に係るイミュニティ性能の改善の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。
【００１４】
＜差動通信システムの構成＞
図１は、一実施形態に係る差動通信システムの構成例を示す図である。差動通信システム１００は、直流電力が重畳される差動信号を用いて、第１の通信装置１１０と第２の通信装置１２０との間で、例えば、車載イーサネット等の高速通信を行う通信システムである。ここでは、一例として、差動通信システム１００が、ＩＥＥＥ８０２．３ｂｕで標準化が進められているＰｏＤＬ（Power over DataLines）に準拠した通信システムであるものとして、以下の説明を行う。
【００１５】
ＰｏＤＬは、データを伝送する差動信号と直流電力が、例えば、ケーブル１３０等の一対の信号線を介して、第１の通信装置１１０と第２の通信装置１２０との間で伝送される通信システムである。これにより、電力を供給するための電力線が不要となるため、例えば、自動車等の車両内における通信システムとして一般的な技術となることが期待されている。
【００１６】
図１の例では、第１の通信装置１１０は、給電装置（ＰＳＥ: Power Sourcing Equipment）として機能し、ケーブル１３０を介して第２の通信装置１２０に直流電力を供給することができる。また、第２の通信装置１２０は、受電装置（ＰＤ: Powered Device）として機能し、第１の通信装置１１０からケーブル１３０を介して供給される直流電力を受電して、利用することができる。
【００１７】
（第１の通信装置の構成）
第１の通信装置１１０は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置の一例であり、コネクタ１１１、通信回路１１２、コモンモードチョークコイル１１３、レギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂ、給電回路１１５、直流電源１１６等を有する。
【００１８】
コネクタ１１１は、直流電力が重畳される差動信号を伝送する外部の信号線の一例であるケーブル１３０に、第１の通信装置１１０を接続するために用いられるインタフェースである。
【００１９】
通信回路１１２は、第２の通信装置１２０と差動信号を用いて通信を行う回路であり、例えば、通信用のＩＣ（Integrated Circuit）等によって実現される。通信回路１１２は、例えば、差動信号によるデータの送受信を行う送受信部や、通信を制御する通信制御部等を含み、数１０Ｍｂｐｓ〜数１００Ｍｂｐｓ程度の通信速度で、第２の通信装置１２０と通信を行う。通信回路１１２は、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂを介して、コネクタ１１１に接続される。
【００２０】
コモンモードチョークコイル１１３は、通信回路１１２とコネクタ１１１との間を接続する一対の信号線１３１ａ、１３１ｂ上に設けられ、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂで伝送される差動信号のコモンモードノイズを抑制する機能を有している。なお、コモンモードチョークコイル１１３は、コモンモードフィルタ等と呼ばれる場合もある。
【００２１】
差動信号を用いて行う通信（以下、差動通信と呼ぶ）は、外来ノイズやグランド等の影響を受けにくく、一対の信号線の周辺における磁界がキャンセルされるため、不要放射が少ないというメリットがあるため、多くの高速データ通信で用いられている。
【００２２】
しかし、このような差動通信においても、例えば、差動信号を伝送する一対の信号線の非対称や、差動信号に直流電力を供給する一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂの回路素子のばらつき等により、コモンモードノイズ（同相ノイズ）が発生する場合がある。
【００２３】
このような場合に発生するコモンモードノイズは、差動信号で伝送する通信信号と同じ周波数帯域にも発生するため、周波数分離型のローパスフィルタ等では除去することができない。コモンモードチョークコイル１１３は、差動信号で伝送する通信信号と、コモンモードノイズとを、伝送モードの違いにより分離し、コモンモードノイズを選択的に抑制する機能を有している。
【００２４】
コモンモードチョークコイル１１３は、差動信号を伝送する一対の信号線１３１ａ、１３１ｂに接続される一対のコイルが、例えば、コアに巻かれ、磁気結合された構造を有している。また、一対のコイルの巻き方向は、互いに反対方向になっている。
【００２５】
これにより、コモンモードチョークコイル１１３にコモンモードノイズが入力されると、一対のコイルに発生する磁束は互いに強めあい、コモンモードチョークコイル１１３は、高いインピーダンスを発生してコモンモードノイズの通過を妨げる。一方、コモンモードチョークコイル１１３に差動信号が入力されると、一対のコイルに発生する磁束がキャンセルされ、コモンモードチョークコイル１１３は高いインピーダンスを発生せず、差動信号を通過させる。
【００２６】
給電回路（電力回路の一例）１１５は、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂに重畳される直流電力を給電する回路である。給電回路１１５は、直流電源１１６から出力される直流電圧を用いて、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂに、一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂを介して直流電力を供給する。
【００２７】
レギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂは、差動信号を伝送する一対の信号線１３１ａ、１３１ｂの各々に対応して通信回路１１２とコネクタ１１１との間に設けられ、給電回路１１５が、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂに直流電力を供給するために用いられる。
【００２８】
一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂは、それぞれ、通信回路１１２とコモンモードチョークコイル１１３との間に接続されるコンデンサ１１７と、給電回路１１５とコモンモードチョークコイル１１３との間に接続されるインダクタ１１８とを有する。
【００２９】
コンデンサ（容量素子）１１７は、通信回路１１２が通信に用いる通信信号を通過させるとともに、給電回路１１５が供給する直流電力を遮断する。また、インダクタ（誘導素子）１１８は、給電回路１１５が供給する直流電力を通過させるとともに、通信回路１１２が通信に用いる通信信号を遮断する。
【００３０】
なお、例えば、車載イーサネット等のように、数１０Ｍｂｐｓ〜数１００Ｍｂｐｓ程度の高速な通信を行う差動通信システム１００では、コンデンサ１１７の容量値が小さい方が望ましく、例えば、数ｐＦ程度の低い容量値の部品が用いられる。これは、レギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂのコンデンサ１１７の浮遊容量が大きい場合に信号品質が劣り、イミュニティ特性が劣化するためである。
【００３１】
このように、第１の通信装置１１０は、コネクタ１１１と通信回路１１２が、コモンモードチョークコイル１１３、及び一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂを介して接続されている。
【００３２】
また、上記の構成により、第１の通信装置１１０は、ケーブル１３０を介して、第２の通信装置１２０と差動信号を用いて通信を行うとともに、第２の通信装置１２０に直流電力を供給することができる。
【００３３】
（第２の通信装置の構成）
第２の通信装置１２０は、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置の別の一例であり、コネクタ１２１、通信回路１２２、コモンモードチョークコイル１２３、レギュレータ回路１２４ａ、１２４ｂ、受電回路１２５等を有する。なお、第２の通信装置１２０は、基本的に第１の通信装置１１０と同様の構成を有しているので、ここでは、同様の構成に対する詳細な説明は省略する。
【００３４】
コネクタ１２１は、第１の通信装置１１０のコネクタ１１１に対応しており、ケーブル１３０に、第２の通信装置１２０を接続するために用いられるインタフェースである。
【００３５】
通信回路１２２は、第１の通信装置１１０の通信回路１１２に対応しており、第１の通信装置１１０と差動信号を用いて通信を行う回路である。通信回路１２２は、一対の信号線１３２ａ、１３２ｂを介して、コネクタ１２１に接続される。
【００３６】
コモンモードチョークコイル１２３は、第１の通信装置１１０のコモンモードチョークコイル１１３に対応しており、通信回路１２２とコネクタ１２１との間を接続する一対の信号線１３２ａ、１３２ｂ上に設けられている。
【００３７】
受電回路（電力回路の別の一例）１２５は、一対の信号線１３１ａ、１３１ｂに重畳される直流電力を受電する回路である。受電回路１２５は、第１の通信装置１１０によって、ケーブル１３０に給電された直流電力を受電して、第２の通信装置１２０で利用できるようにする。
【００３８】
レギュレータ回路１２４ａ、１２４ｂは、第１の通信装置１１０のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂに対応している。レギュレータ回路１２４ａ、１２４ｂは、差動信号を伝送する一対の信号線１３２ａ、１３２ｂの各々に対応して通信回路１２２とコネクタ１２１との間に設けられ、受電回路１２５が、一対の信号線１３２ａ、１３２ｂに重畳された直流電力を受電するために用いられる。一対のレギュレータ回路１２４ａ、１２４ｂは、第１の通信装置１１０のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂと同様に、コンデンサ１１７と、インダクタ１１８とを含む。
【００３９】
このように、第２の通信装置１２０は、コネクタ１２１と通信回路１２２が、コモンモードチョークコイル１２３、及び一対のレギュレータ回路１２４ａ、１２４ｂを介して接続されている。
【００４０】
また、上記の構成により、第２の通信装置１２０は、ケーブル１３０を介して、第１の通信装置１１０と差動信号を用いて通信を行うとともに、第１の通信装置１１０から供給される直流電力を利用することができる。
【００４１】
このように、本実施形態に係る差動通信システム１００では、差動信号に直流電力が重畳されるため、第１の通信装置１１０と第２の通信装置１２０との間の電力線を省略することができる。
【００４２】
一方、直流電力が重畳される差動信号は、バランスがとれていることが重要であり、例えば、一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂの回路素子にばらつきがある場合、コモンモードノイズが差動信号成分に変換されて、通信エラーの要因となる。
【００４３】
そこで、本実施形態に係る差動通信装置（１１０、１２０）は、コモンモードチョークコイル（１１３、１２３）にてコモン成分が除去され、信号成分が安定した箇所にレギュレータ回路（１１４ａ、１１４ｂ、１２４ａ、１２４ｂ）を接続する。これにより、差動通信装置（１１０、１２０）は、差動通信路の安定化（バランス化）を図ることができ、しいては通信性能を向上させることができる。
【００４４】
以上、本実施形態に係る差動通信装置（１１０、１２０）によれば、直流電力が重畳される差動信号を用いて通信を行う差動通信装置（１１０、１２０）において、イミュニティ性能を維持しつつ、差動信号に直流電力を重畳させることができるようになる。
【００４５】
（イミュニティ特性の例）
次に、本実施形態に係る差動通信装置のイミュニティ性能について説明する。なお、ここでは、差動通信装置が第１の通信装置１１０であるものとして説明を行うが、第２の通信装置１２０についても同様である。
【００４６】
図２は、一実施形態に係るコモンモードチョークコイルの特性の一例を示す図である。この図は、コモンモードチョークコイル１１３のＭｉｘ Ｍｏｄｅ Ｓパラメータを用いた性能の一例のイメージを示している。
【００４７】
Ｍｉｘ Ｍｏｄｅ Ｓパラメータは、コモン成分／差動成分の通過／反射特性を示すパラメータであり、Ｓｄｃ２１は、一方のポートから他方のポートへ差動信号が伝わる際に、コモン成分が差動成分に変換される量を示す。
【００４８】
図２の例では、１０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの周波数範囲において、コモンモードチョークコイル１１３を通過することにより、コモン成分が差動成分に変換される量が、３０ｄＢ〜４０ｄＢ程度、低減されることが示されている。
【００４９】
図３は、一実施形態に係るレギュレータ回路の追加による影響の一例を示す図である。図３（ａ）は、例えば、コモンモードチョークコイル１１３が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路がない場合のＭｉｘ Ｍｏｄｅ ＳパラメータＳｄｃ（Ｓ１１）の一例を示している。
【００５０】
また、図３（ｂ）は、例えば、コモンモードチョークコイル１１３が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路を搭載した場合のＭｉｘ Ｍｏｄｅ ＳパラメータＳｄｃ（Ｓ１１）一例を示している。
【００５１】
このように、通信装置にレギュレータ回路を搭載すると、レギュレータ回路が搭載されていない場合に比べて、コモン成分が差動成分に変換されるノイズ成分が増加することが判る。これは、差動通信を行う一対の通信路の各々と、グランド電位との間のインピーダンスに差があると、受信側で受け取るコモンモード電圧に差が発生し、差動通信を行う一対の通信路の間にノイズの電圧が発生するためである。
【００５２】
図４は、一実施形態に係るイミュニティ性能の改善の一例を示す図である。図４（ａ）は、図３（ａ）と同様に、例えば、コモンモードチョークコイル１１３が搭載されていない比較用の差動通信装置において、レギュレータ回路がない場合のＭｉｘ Ｍｏｄｅ ＳパラメータＳｄｃ（Ｓ１１）の一例を示している。
【００５３】
また、図４（ｂ）は、図１に示す本実施形態に係る第１の通信装置１１０のように、コモンモードチョークコイル１１３の後段に、一対のレギュレータ回路１１４ａ、１１４ｂを設けた場合のＭｉｘ Ｍｏｄｅ ＳパラメータＳｄｃ（Ｓ１１）の一例を示している。
【００５４】
このように、本実施形態に係る第１の通信装置１１０によれば、レギュレータ回路を搭載することにより発生する、コモン成分から差動成分へ変換されるノイズ成分の増加が抑制され、レギュレータ回路がない場合と同様のイミュニティ特性が得られることが判る。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１００      差動通信システム
１１０      第１の通信装置（差動通信装置の一例）
１２０      第２の通信装置（差動通信装置の別の一例）
１３０      ケーブル（外部の信号線）
１１１      コネクタ
１１２      通信回路
１１７      コンデンサ（容量素子）
１１８      インダクタ（誘導素子）
１３１ａ、１３１ｂ      一対の信号線
１３２ａ、１３２ｂ      一対の信号線
１１３、１２３      コモンモードチョークコイル
１１５      給電回路（電力回路の一例）
１２５      受電回路（電力回路の別の一例）
１１４ａ、１１４ｂ      一対のレギュレータ回路
１２４ａ、１２４ｂ      一対のレギュレータ回路
【図１】
2019047165.tif 000003
【図２】
2019047165.tif 000004
【図３】
2019047165.tif 000005
【図４】
2019047165.tif 000006