JP7012254B2

JP7012254B2 - 通信装置

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Publication number: JP7012254B2
Application number: JP2018100589A
Authority: JP
Inventors: 俊介勝村; 研治野添; 英晃徳永; 恵治小林
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: JP2019205119A

Description

特許法第３０条第２項適用第２７回ＲＣＪ信頼性シンポジウム発表論文集、平成２９年１１月２８日（発行日）

本発明は、主に車両内の通信に使用される通信装置に関する。

近年、車両の電装化が加速しており、車両内の通信ネットワークで伝送される情報量が増加してきている。車載通信規格としてＣＡＮ（Controller Area Network）が広く普及している。ＣＡＮでは、２本の通信線間の電圧差によりデータを伝送する差動伝送方式が採用されている。ＣＡＮ－Ｃの最大伝送速度は１Ｍｂｐｓ、ＣＡＮ－ＦＤの最大伝送速度は８Ｍｂｐｓである。

車両内のＥＣＵ（Electronic Control Unit）の数の増加、車載カメラの高解像度化などを背景に、車載通信の高速化が求められている。より高速伝送が可能な車載通信規格として、車載Ethernet（登録商標）が普及してきている。OPEN Alliance SIGは、車載Ethernet（登録商標）の物理層の規格として、BroadR-Reach（登録商標）を公開している。BroadR-Reach（登録商標）は、１対のＵＴＰ（Unshielded Twisted Pair)ケーブルで、最大伝送速度１００Ｍｂｐｓの双方向通信を実現する。また今後、最大伝送速度１Ｇｂｐｓの１０００ＢＡＳＥ－Ｔ１規格の車載Ethernet（登録商標）の普及も進んでいくと予想される。

車載通信では、伝送速度の向上とともに安全性の確保が強く要求される。従って、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）対策、及びＥＳＤ（Electro-Static Discharge）対策が重要となる。差動伝送方式を採用している１００ＢＡＳＥ－Ｔ１規格または１０００ＢＡＳＥ－Ｔ１規格の車載Ethernet（登録商標）では、ＥＭＣ対策としてコモンモードフィルタ、ＥＳＤ対策としてＥＳＤ保護素子（例えば、バリスタ、ツェナーダイオード）を設けることが基本的な対策となる（例えば、特許文献１、２参照）。

コモンモードフィルタは通信装置の基板上の差動信号線に挿入され、信号電流を通過させ、コモンモードノイズ電流を減衰する。差動信号線に重畳される外来ノイズの多くはコモンモードノイズであり、上記コモンモードフィルタは、当該コモンモードノイズを減衰させることができる。

ＥＳＤ保護素子は、通信装置の基板上において、差動信号線とグランド電位間に挿入される。ＥＳＤ保護素子は、差動信号線に設定電圧以上の電圧が印加されると導通し、差動信号線からグランドに電流を流す。これにより、差動信号線に接続された通信回路を、ＥＳＤから保護する。

特開２０１７－１３０９１７号公報特開２０１４－８３９３２号公報

ＥＳＤ保護素子が導通すると、差動信号線に流れる信号電流もグランドに流れてしまうため、外部から受信した通信信号が通信回路に届かなくなる。即ち、ＥＳＤ保護素子が導通すると、正常な通信を維持できなくなる。ただしＥＳＤ耐性の評価では、通信エラーが自動復帰されることで許容される場合もある。

一方、ＥＭＳ（Electro Magnetic Susceptibility）性能の評価では、通信エラーは基本的に許容されない。従って、ＥＭＳ性能を向上させるには、ＥＳＤ保護素子が不必要に導通することを防止する必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、差動伝送におけるＥＳＤ耐性とＥＭＳ性能を両立させる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の通信装置は、外部配線が接続されるコネクタと、通信回路と、前記コネクタと前記通信回路間を接続する差動信号線と、前記差動信号線に挿入されるコモンモードフィルタと、前記差動信号線上の前記コネクタと前記コモンモードフィルタ間の接続点と、所定の固定電位間に接続されるＥＳＤ（Electro-Static Discharge）保護素子と、を備える。前記ＥＳＤ保護素子が保護動作を開始する動作開始電圧が６０～８００Ｖの範囲内に設定されている。

本発明によれば、差動伝送におけるＥＳＤ耐性とＥＭＳ性能を両立させることができる。

図１（ａ）－（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る通信装置の構成を示す図である。図２（ａ）－（ｃ）は、ＥＳＤサプレッサ、バリスタ、ツェナーダイオードの電流／電圧特性の一例を示す図である。比較例に係る通信装置の構成を示す図である。図４（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１Ｇｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用いた通信装置におけるＥＳＤ保護素子のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。図５（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１００Ｍｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用いた通信装置におけるＥＳＤ保護素子のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。図６（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１ＭｂｐｓのＣＡＮを用いた通信装置におけるＥＳＤ保護素子のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。

図１（ａ）－（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る通信装置１０の構成を示す図である。通信装置１０は、例えば、車両内に設置され、当該車両内の他の通信装置と車載ネットワークを介して通信する装置である。なお、通信装置１０は、車両内に設置され、種々のネットワークを介して当該車両外の通信装置と通信するものであってもよい。

通信装置１０は、車載通信に使用されるケーブルハーネス２０を接続するためのコネクタ１１を備える。本実施の形態では、差動伝送方式を使用した車載通信規格が使用される。例えば、車載Ethernet（登録商標）が使用される場合、通常、ケーブルハーネス２０としてＵＴＰケーブルが使用される。なお規格によっては、ＳＴＰ（Shielded Twisted Pair）ケーブル又は光ケーブルが使用される場合もある。ＣＡＮが使用される場合、ケーブルハーネス２０としてＣＡＮバスケーブルが使用される。ＣＡＮバスケーブルには通常、ＳＴＰケーブルが使用される。

通信装置１０は通信回路１４を含み、コネクタ１１と通信回路１４間が差動信号線１２で接続される。車載Ethernet（登録商標）の場合、通信回路１４はＰＨＹ（PHYsical layer）トランシーバである。ＣＡＮの場合、通信回路１４はＣＡＮトランシーバである。図１（ａ）－（ｃ）には示していないが、通信装置１０内には通信回路１４以外に、ＣＰＵ、ＳｏＣ（System-on-a-Chip）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路が搭載されてもよい。

処理回路は、通信装置１０を備える車載機器に応じた各種のアプリケーション処理を実行する。例えば、車載機器がインフォテイメント機器（例えば、カーナビゲーション装置、ディスプレイオーディオ）の場合、処理回路は画像信号処理または音声信号処理を実行し、処理した信号を図示しないディスプレイまたはスピーカに出力する。

例えば、インフォテイメント機器の処理回路は、リアカメラで撮影された画像信号を車載ネットワークを介して受信し、受信した画像信号を伸張・復号してディスプレイに表示させる。近年、車載カメラの高解像度化が進み、高解像度の画像をリアルタイム表示する必要性から、車載ネットワークの高速化が求められている。

また車載機器がクラスタメータやＨＵＤ（Head-Up Display）の場合、処理回路は各種センサから受信した車両情報をもとに、メータまたはＨＵＤの表示内容を制御する。近年、電子制御されるセンサが増えてきており、それに伴い車両内のＥＣＵの数が増加してきている。その観点からも車載ネットワークの高速化が求められている。

通信回路１４は、車載ネットワークからケーブルハーネス２０を介して受信した差動電圧を、処理回路で使用されるデジタル信号に変換する。また通信回路１４は、処理回路から取得したデジタル信号を差動電圧に変換して、変換した差動電圧をケーブルハーネス２０を介して車載ネットワークに送信する。また通信回路１４は、ケーブルや通信に関する各種の故障診断を実行する。処理回路は、通信回路１４により実行される通信処理より上位層の通信処理も実行する。当該処理回路による通信処理はソフトウェア処理であってもよいし、ハードウェア処理であってもよい。

コネクタ１１と通信回路１４間を接続する差動信号線１２にコモンモードフィルタ１３が挿入される。図１（ａ）－（ｃ）では、コモンモードフィルタ１３としてチョークコイルを使用する例を示している。コモンモードフィルタ１３は、差動信号線１２上のコモンモードノイズ電流を減衰させ、信号電流を通過させる。

差動信号線１２上のコネクタ１１とコモンモードフィルタ１３間の接続点Ｎ１と、所定の固定電位間にＥＳＤ保護素子１５が接続される。所定の固定電位は、通信装置１０が実装される基板のグランド電位である。なお当該基板のグランドは、最終的に車両のボディアースに接続される。

ＥＳＤ保護素子１５は、所定の電圧条件下で導通することにより、差動信号線１２の接続点Ｎ１から電流をグランドに引き抜くことができる。従って、高電圧のＥＳＤ電流／サージ電流が通信回路１４に流入することを防止して、通信回路１４を保護することができる。

図１（ａ）はＥＳＤ保護素子１５として、ＥＳＤサプレッサ１５ａを使用する例を示している。ＥＳＤサプレッサ１５ａには例えば、内部電極間に空洞を有する高耐量ＥＳＤサプレッサを使用することができる。高耐量ＥＳＤサプレッサは、トリガ電圧を超える電圧が印加されると、内部電極間にマイクロギャップ放電が発生し、電圧降下を伴いながら電流が流れる。高耐量ＥＳＤサプレッサは、静電容量が低いため（一般的に０．１ｐＦ以下）、信号の伝送特性に殆ど影響を与えない。高速差動信号であっても、その伝送特性に殆ど影響を与えない。

図１（ｂ）はＥＳＤ保護素子１５として、バリスタ１５ｂを使用する例を示している。バリスタ１５ｂには例えば、セラミック部品のチップバリスタを使用することができる。チップバリスタは、印加される電圧により抵抗値が変化する可変素子である。バリスタ電圧を超える電圧が印加されると、チップバリスタの抵抗値が急低下し、電流が流れ出す。チップバリスタは、小型・軽量・低コストであるメリットを有する。

図１（ｃ）はＥＳＤ保護素子１５として、ツェナーダイオード１５ｃを使用する例を示している。ツェナーダイオード１５ｃには例えば、ＴＶＳ（Transient Voltage Suppressor）ダイオードを使用することができる。ＴＶＳダイオードは、ツェナー電圧（ブレイクダウン電圧）を超える逆方向電圧が印加されると、トンネル効果によりカソードからアノードに逆方向の電流が流れる。

図２（ａ）－（ｃ）は、ＥＳＤサプレッサ１５ａ、バリスタ１５ｂ、ツェナーダイオード１５ｃの電流／電圧特性の一例を示す図である。図２（ａ）は、ＥＳＤサプレッサ１５ａのＩＶ特性の一例を示す図である。図２（ａ）に示すＥＳＤサプレッサ１５ａのトリガ電圧Ｖｔは約６７０Ｖに設定されている。ＥＳＤサプレッサ１５ａにトリガ電圧Ｖｔを超える電圧が印加されると、ＥＳＤサプレッサ１５ａの内部電極間で放電が発生し、電流が流れ出す。その後、電流値の上昇とともに、ＥＳＤサプレッサ１５ａの両端電圧がクランプ電圧（図２（ａ）では約２０Ｖ）まで低下する。その後、クランプ電圧と定格電圧（図２（ａ）では約５０Ｖ）の間で電圧が維持され、電流値の上昇が継続する。なお図２（ａ）はＥＳＤサプレッサ１５ａの正側のＩＶ特性を示しているが、負側のＩＶ特性は正側のＩＶ特性と、原点に対して点対称な関係となる。

図２（ｂ）は、バリスタ１５ｂのＩＶ特性の一例を示す図である。図２（ｂ）に示すバリスタ１５ｂのバリスタ電圧Ｖｖは約１００Ｖに設定されている。一般的に、バリスタ電圧Ｖｖは、バリスタ１５ｂにＤＣ１ｍＡの電流が流れたときの両端電圧で規定される。バリスタ電圧Ｖｖを超える電圧が印加されると、バリスタ１５ｂは印加電圧に略比例した電流を流す。なお図２（ｂ）はバリスタ１５ｂの正側のＩＶ特性を示しているが、負側のＩＶ特性は正側のＩＶ特性と、原点に対して点対称な関係となる。

図２（ｃ）は、ツェナーダイオード１５ｃのＩＶ特性の一例を示す図である。図２（ｃ）に示すツェナーダイオード１５ｃのブレイクダウン電圧（ツェナー電圧）Ｖｂは約９Ｖに設定されている。ブレイクダウン電圧Ｖｂを超える電圧が印加されると、ツェナーダイオード１５ｃは印加電圧に略比例した電流を流す。なお図２（ｃ）は、カソードからアノードへの逆方向のＩＶ特性を示している。アノードからカソードへの順方向のＩＶ特性は１Ｖ以下のブレイクダウン電圧で動作する。ツェナーダイオード１５ｃをＥＳＤ保護素子１５として使用する場合、信号線にカソード端子が接続され、グランドにアノード端子が接続される向きに接続される。また、本開示におけるツェナーダイオード１５ｃは、極性を持たずに双方向とも同じブレイクダウン電圧を持つタイプ（双方向タイプ）が適用される場合もある。双方向タイプのツェナーダイオード１５ｃのＩＶ特性は、バリスタ１５ｂのＩＶ特性と同様に、正側のＩＶ特性と負側のＩＶ特性とが、原点に対して点対称な関係となる（図示せず）。なお、このときのＩＶ特性は、完全な点対称を示さない場合もある。

本明細書では、ＥＳＤサプレッサ１５ａのトリガ電圧Ｖｔ、バリスタ１５ｂのバリスタ電圧Ｖｖ、及びツェナーダイオード１５ｃのブレイクダウン電圧Ｖｂを、通信回路１４を保護する動作を開始する電圧である点に注目して、動作開始電圧と呼ぶ。これらのＥＳＤ保護素子１５の動作開始電圧は、ツェナーダイオード１５ｃ＜バリスタ１５ｂ＜ＥＳＤサプレッサ１５ａの関係になる。動作後のクランプ電圧は、ツェナーダイオード１５ｃ≒ＥＳＤサプレッサ１５ａ＜バリスタ１５ｂの関係になる。ＥＳＤサプレッサ１５ａの動作開始電圧は、他の２つより高いものの、動作後のクランプ電圧はツェナーダイオード１５ｃと同等となる。

図３は、比較例に係る通信装置１０の構成を示す図である。比較例では、ツェナーダイオード１５ｃが、図１（ｃ）に示した差動信号線１２上のコネクタ１１とコモンモードフィルタ１３間の接続点Ｎ１とグランド電位間ではなく、差動信号線１２上のコモンモードフィルタ１３と通信回路１４間の接続点Ｎ２とグランド電位間に接続されている。

この接続形態では、コネクタ１１に印加された静電気エネルギーがコモンモードフィルタ１３で反射し、配線パターン間の放電により、周辺回路にエネルギーが漏れてしまい周辺回路に悪影響を及ぼすことがある。これに対して図１（ａ）－（ｃ）に示したようにコネクタ１１から見てコモンモードフィルタ１３の前段に、ＥＳＤ保護素子１５を配置すると、静電気エネルギーがコモンモードフィルタ１３を通過せずに、グランドに逃がすことができる。

図４（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１Ｇｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用いた通信装置１０におけるＥＳＤ保護素子１５のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。

ＢＣＩ（Bulk Current Injection）試験は、通信装置１０が接続されたケーブルハーネス２０に強い電磁界ノイズを注入し、ケーブルハーネス２０に強い電磁界ノイズが誘起した際におけるＥＵＴ（Equipment Under Test）の誤作動などの不具合を確認する試験である。不具合の原因として、例えば、ＥＳＤ保護素子１５の保護効果不足・耐量不足などが挙げられる。ＢＣＩ試験は、ＩＳＯ１１４５２－４規格や各自動車メーカの規格に準拠した条件下で行われる。

ＥＳＤ試験は、差動信号線１２に対して放電ガンで接触放電した際におけるＥＵＴの誤作動などの不具合を確認する試験である。不具合の原因として、例えば、ＥＳＤ保護素子１５の保護効果不足・耐量不足などが挙げられる。ＥＳＤ試験は、ＩＥＣ６１０００－４－２規格、ＩＳＯ１０６０５規格、又は各自動車メーカの規格に準拠した条件下で行われる。

図４（ａ）はＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果を示す。ＥＳＤサプレッサ１５ａの寄生容量は、動作開始電圧に応じて値が変わる。図４（ａ）に示す試験対象のＥＳＤサプレッサ１５ａの寄生容量は０．０７～０．２０ｐＦの範囲である。図５（４）に示す例では、動作開始電圧が７５Ｖのとき寄生容量が０．２０ｐＦ、動作開始電圧が１００Ｖのとき寄生容量が０．１６ｐＦ、動作開始電圧が２００Ｖのとき寄生容量が０．１４ｐＦ、動作開始電圧が３００Ｖのとき寄生容量が０．１２ｐＦ、動作開始電圧が４００Ｖのとき寄生容量が０．１１ｐＦ、動作開始電圧が５００Ｖのとき寄生容量が０．１０ｐＦ、動作開始電圧が６００Ｖのとき寄生容量が０．０９ｐＦ、動作開始電圧が７００Ｖのとき寄生容量が０．０８ｐＦ、動作開始電圧が８００Ｖ、９００Ｖ、１０００Ｖのとき寄生容量が０．０７ｐＦである。図４（ａ）内の通信可否は、電磁界ノイズ及びＥＳＤによる静電気が加えられていない状態において、通信回路１４が正常な通信を行うことができるか否かを示す。マル印は通信が正常であることを示し、バツ印は通信エラーが発生することを示す。

図４（ａ）に示すように、動作開始電圧が７５～１０００Ｖの範囲の全てのＥＳＤサプレッサ１５ａのいずれを使用しても、通信エラーが発生しない。２００ｍＡの外来ノイズを注入するＢＣＩ試験では、動作開始電圧が７５～１０００Ｖの範囲の全てのＥＳＤサプレッサ１５ａが合格である。

１５ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１００～８００Ｖの範囲のＥＳＤサプレッサ１５ａが合格である。動作開始電圧が７５ＶのＥＳＤサプレッサ１５ａは、ＥＳＤサプレッサ１５ａ自体にショート劣化が発生することにより不合格である。動作開始電圧が９００～１０００ＶのＥＳＤサプレッサ１５ａは、通信回路１４を保護できずに不合格である。

３０ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１００～６００Ｖの範囲のＥＳＤサプレッサ１５ａが合格である。動作開始電圧が７５ＶのＥＳＤサプレッサ１５ａは、ＥＳＤサプレッサ１５ａ自体にショート劣化が発生することにより不合格である。動作開始電圧が７００～１０００Ｖの範囲のＥＳＤサプレッサ１５ａは、通信回路１４を保護できずに不合格である。

図４（ｂ）はバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃの試験結果を示す。バリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃのＩＶ特性の形状は類似しており、ＢＣＩ耐性及びＥＳＤ耐性も類似する。従って両者を１つのグラフにまとめて記載している。

バリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃも動作開始電圧に応じて寄生容量の値が変わる。図４（ｂ）に示す例では、動作開始電圧が１５Ｖのとき寄生容量が２ｐＦ、動作開始電圧が２７Ｖのとき寄生容量が４７ｐＦ、動作開始電圧が６０Ｖのとき寄生容量が１５ｐＦ、動作開始電圧が９０Ｖのとき寄生容量が１．５ｐＦ、動作開始電圧が１００Ｖのとき寄生容量が１．３ｐＦ、動作開始電圧が１１０Ｖのとき寄生容量が１．１ｐＦ、動作開始電圧が１５０Ｖのとき寄生容量が１．０ｐＦ、動作開始電圧が２００Ｖ、３００Ｖのとき寄生容量が０．９ｐＦである。

図４（ｂ）に示すように、動作開始電圧が１５～６０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ又はツェナーダイオード１５ｃを使用すると通信エラーが発生する。一方、動作開始電圧が９０～３００Ｖのバリスタ１５ｂ又はツェナーダイオード１５ｃを使用した場合、通信エラーが発生しない。なお通信エラーは寄生容量が大きいほど発生しやすくなる。また通信エラーは伝送速度が速いほど発生しやすくなる。

なお動作開始電圧が１５Ｖのバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃを使用すると、通信信号の電圧を一定の電圧でクランプしてしまい、コモンモードフィルタ１３に差動電圧が入力されなくなってしまう。従って、動作開始電圧が１５Ｖのバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃを使用する場合、図３に示した接続形態を採用している。動作開始電圧が２７Ｖ以上のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示した接続形態を採用している。

図４（ｂ）に示すように、２００ｍＡの外来ノイズを注入するＢＣＩ試験では、動作開始電圧が９０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１５～６０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。動作開始電圧が低いと、正常な範囲の信号電流をグランドに流してしまうことによるエラーが発生しやすくなる。

１５ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１５～１１０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１５０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。動作開始電圧が１５０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、通信回路１４を保護できずに不合格である。３０ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１５～６０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が９０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、通信回路１４を保護できずに不合格である。

図５（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１００Ｍｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用いた通信装置１０におけるＥＳＤ保護素子１５のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。

図５（ａ）はＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果を示す。図５（ａ）に示す試験対象のＥＳＤサプレッサ１５ａの寄生容量は０．０７～０．１０ｐＦの範囲である。図５（ａ）に示す例では、動作開始電圧が７５Ｖ、１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖのとき寄生容量が０．１０ｐＦ、動作開始電圧が６００Ｖのとき寄生容量が０．０９ｐＦ、動作開始電圧が７００Ｖのとき寄生容量が０．０８ｐＦ、動作開始電圧が８００Ｖ、９００Ｖ、１０００Ｖのとき寄生容量が０．０７ｐＦである。図５（ａ）に示す１００Ｍｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）におけるＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果は、図４（ａ）に示した１Ｇｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）におけるＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果と同じである。

図５（ｂ）はバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃの試験結果を示す。図５（ｂ）に示す例では、動作開始電圧が１５Ｖのとき寄生容量が２ｐＦ、動作開始電圧が２７Ｖのとき寄生容量が４７ｐＦ、動作開始電圧が６０Ｖのとき寄生容量が１５ｐＦ、動作開始電圧が９０Ｖのとき寄生容量が５．１ｐＦ、動作開始電圧が１００Ｖのとき寄生容量が４．７ｐＦ、動作開始電圧が１２０Ｖのとき寄生容量が３．０ｐＦ、動作開始電圧が１５０Ｖのとき寄生容量が２．０ｐＦ、動作開始電圧が２００Ｖ、３００Ｖのとき寄生容量が０．９ｐＦである。

図５（ｂ）に示すように、動作開始電圧が２７～６０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ又はツェナーダイオード１５ｃを使用すると通信エラーが発生する。一方、動作開始電圧が１５、９０～３００Ｖのバリスタ１５ｂ又はツェナーダイオード１５ｃを使用した場合、通信エラーが発生しない。図４（ａ）と比較して、伝送速度が遅くなっている分、通信エラーが発生しにくくなっている。動作開始電圧が１５Ｖのバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、図３に示した接続形態を採用しているため、通信エラーが発生していない。

図５（ｂ）に示すように、２００ｍＡの外来ノイズを注入するＢＣＩ試験では、動作開始電圧が９０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１５～６０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。１５ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１５～１２０Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１５０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。３０ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１５～１００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１２０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、通信回路１４を保護できずに不合格である。

図６（ａ）－（ｂ）は、最大伝送速度が１ＭｂｐｓのＣＡＮを用いた通信装置１０におけるＥＳＤ保護素子１５のＢＣＩ試験及びＥＳＤ試験の結果をまとめたグラフを示す図である。

図６（ａ）はＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果を示す。図６（ａ）に示す１ＭｂｐｓのＣＡＮにおけるＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果は、図４（ａ）に示した１Ｇｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）におけるＥＳＤサプレッサ１５ａの試験結果と同じである。

図６（ｂ）はバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃの試験結果を示す。図６（ｂ）に示す例では、動作開始電圧が１５Ｖのとき寄生容量が２ｐＦ、動作開始電圧が２７Ｖのとき寄生容量が４７ｐＦ、動作開始電圧が６０Ｖのとき寄生容量が１５ｐＦ、動作開始電圧が１００Ｖのとき寄生容量が４．７ｐＦ、動作開始電圧が２００Ｖ、３００Ｖのとき寄生容量が０．９ｐＦである。図６（ｂ）に示すように、動作開始電圧が１５～３００Ｖの範囲の全てのバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃのいずれを使用しても、通信エラーが発生しない。

図６（ｂ）に示すように、２００ｍＡの外来ノイズを注入するＢＣＩ試験では、動作開始電圧が６０～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が１５～２７Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。１５ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験では、動作開始電圧が１５～１００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは合格である。動作開始電圧が２００～３００Ｖの範囲のバリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは不合格である。３０ｋＶの静電気が印加されるＥＳＤ試験も、１５ｋＶの試験と同様の結果である。

以上に示したようにＥＳＤサプレッサ１５ａは、１５ｋＶ以内の静電気を想定した場合、動作開始電圧が１００～８００Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。３０ｋＶ以内の静電気を想定した場合、動作開始電圧が１００～６００Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。

バリスタ１５ｂ及びツェナーダイオード１５ｃは、最大伝送速度が１Ｇｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用い、１５ｋＶ以内の静電気を想定した場合、動作開始電圧が９０～１１０Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。また最大伝送速度が１００Ｍｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用い、１５ｋＶ以内の静電気を想定した場合、動作開始電圧が９０～１２０Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。また最大伝送速度が１００Ｍｂｐｓの車載Ethernet（登録商標）を用い、３０ｋＶ以内の静電気を想定した場合、動作開始電圧が９０～１００Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。また最大伝送速度が１ＭｂｐｓのＣＡＮを用いる場合、動作開始電圧が６０～１００Ｖの範囲で、ＥＳＤ耐性及びＥＭＳ性能を満足した上で、正常な通信が可能である。

以上説明したように本実施の形態によれば、差動信号線１２上のコネクタ１１とコモンモードフィルタ１３間の接続点Ｎ１とグランド電位間に、所定範囲に設定された動作開始電圧のＥＳＤ保護素子１５を接続する。これにより、静電気が印加された場合に、進行エネルギーとコモンモードフィルタ１３からの反射エネルギーによりＥＳＤ保護素子１５が導通し、グランドにエネルギーを逃がすことにより、通信回路１４を保護することができる。従って、配線パターン間の放電を防止することができ、周辺部品に悪影響が及ぶことを防止することができる。なお電磁ノイズなどの外来ノイズが印加された場合は、ＥＳＤ保護素子１５は導通せず、通信を継続することができる。よって、差動伝送におけるＥＳＤ耐性とＥＭＳ性能を両立させることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素または各処理プロセスの組み合わせに、いろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態に係る通信装置１０は、車載用途以外にも適用可能である。例えば、ＦＡ（Factory Automation）等で使用される産業用Ethernet（登録商標）、データセンタやオフィス等で使用される一般的なEthernet（登録商標）にも適用可能である。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
外部配線（２０）が接続されるコネクタ（１１）と、
通信回路（１４）と、
前記コネクタ（１１）と前記通信回路（１４）間を接続する差動信号線（１２）と、
前記差動信号線（１２）に挿入されるコモンモードフィルタ（１３）と、
前記差動信号線（１２）上の前記コネクタ（１１）と前記コモンモードフィルタ（１３）間の接続点（Ｎ１）と、所定の固定電位間に接続されるＥＳＤ（Electro-Static Discharge）保護素子（１５）と、を備え、
前記ＥＳＤ保護素子（１５）が保護動作を開始する動作開始電圧が６０～８００Ｖの範囲内に設定されている通信装置（１０）。
これによれば、通信信号への悪影響を抑制しつつ、ＥＳＤ耐性を満足させることができる。
［項目２］
前記ＥＳＤ保護素子（１５）はＥＳＤサプレッサ（１５ａ）であり、
前記ＥＳＤサプレッサ（１５ａ）が保護動作を開始する動作開始電圧が１００～８００Ｖの範囲内に設定されている項目１に記載の通信装置（１０）。
これによれば、通信信号への悪影響を抑制しつつ、１５ｋＶまでの静電気に対するＥＳＤ耐性を満足させることができる。
［項目３］
前記ＥＳＤ保護素子（１５）はＥＳＤサプレッサ（１５ａ）であり、
前記ＥＳＤサプレッサ（１５ａ）が保護動作を開始する動作開始電圧が１００～６００Ｖの範囲内に設定されている項目１に記載の通信装置（１０）。
これによれば、通信信号への悪影響を抑制しつつ、３０ｋＶまでの静電気に対するＥＳＤ耐性を満足させることができる。
［項目４］
前記ＥＳＤ保護素子（１５）はバリスタ（１５ｂ）またはツェナーダイオード（１５ｃ）であり、
前記バリスタ（１５ｂ）または前記ツェナーダイオード（１５ｃ）が保護動作を開始する動作開始電圧が６０～１２０Ｖの範囲内に設定されている項目１に記載の通信装置（１０）
これによれば、通信信号への悪影響を抑制しつつ、最大伝送速度が１ＭｂｐｓのＣＡＮを用いる場合には、３０ｋＶまでの静電気に対するＥＳＤ耐性を満足させることができる。

１０通信装置、１１コネクタ、１２差動信号線、１３コモンモードフィルタ、１４通信回路、１５ＥＳＤ保護素子、１５ａＥＳＤサプレッサ、１５ｂバリスタ、１５ｃツェナーダイオード、２０ケーブルハーネス。

Claims

外部配線が接続されるコネクタと、
通信回路と、
前記コネクタと前記通信回路間を接続する差動信号線と、
前記差動信号線に挿入されるコモンモードフィルタと、
前記差動信号線上の前記コネクタと前記コモンモードフィルタ間の接続点と、所定の固定電位間に接続されるＥＳＤ（Electro-Static Discharge）保護素子と、を備え、
前記ＥＳＤ保護素子が保護動作を開始する動作開始電圧が６０～８００Ｖの範囲内に設定されており、
前記ＥＳＤ保護素子は、
前記動作開始電圧を超える電圧が印加されると電流が流れ出し、
前記電流の値の上昇とともに両端電圧がクランプ電圧まで低下する、
通信装置。
前記ＥＳＤ保護素子はＥＳＤサプレッサであり、
前記ＥＳＤサプレッサが保護動作を開始する動作開始電圧が１００～８００Ｖの範囲内に設定されている請求項１に記載の通信装置。
前記ＥＳＤ保護素子はＥＳＤサプレッサであり、
前記ＥＳＤサプレッサが保護動作を開始するが保護動作を開始する動作開始電圧が１００～６００Ｖの範囲内に設定されている請求項１に記載の通信装置。
前記ＥＳＤサプレッサは、
前記動作開始電圧を超える電圧が印加されると電流が流れ出し、
前記電流の値の上昇とともに両端電圧がクランプ電圧まで低下する、
請求項２または請求項３に記載の通信装置。
前記ＥＳＤ保護素子はバリスタまたはツェナーダイオードであり、
前記バリスタまたは前記ツェナーダイオードが保護動作を開始する動作開始電圧が６０～１２０Ｖの範囲内に設定されている請求項１に記載の通信装置。