CN103378845A

CN103378845A - 用于流电隔离的通信接口

Info

Publication number: CN103378845A
Application number: CN2012103913455A
Authority: CN
Inventors: 雷默克·范德贝克
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: EP2658195A3; US20130279549A1; EP2658195B1; EP2658195A2; US8571093B1; CN103378845B

Abstract

在一个或者多个实施例中，提供了一种用于在不同电压域之间通信的系统，使用N+1个电容耦合导电线来提供N个通信信道。例如，可以使用三个电容耦合信号路径提供双向通信(例如沿第一方向上的第一通信和沿相反方向上的第二通信)。所述信号路径的两个用作单端(即非差分)信号路径。所述第三信号路径用于抑制两个电压域之间的电压扰动。

Description

用于流电隔离的通信接口

技术领域

本公开的各个方面涉及与用于电路中流电隔离的通信接口有关的装置、设备和方法。

背景技术

流电隔离已经用于多种不同的应用。例如，可以在多个集成电路芯片之间提供流电隔离，所述集成电路芯片可以位于相同的封装或者不同的封装内。可以使用流电隔离技术在所述集成电路之间传递信号。不同的流电隔离技术在性能中具有各种不期望的折衷，例如但不局限于信号传播延迟、功耗、脉冲宽度失真和载波频率要求。

一种类型的流电隔离涉及差分信号和电容耦合的使用。差分信号将数据信号转化成一对异相信号，在各自的信号路径上发射所述信号。接收机将所述信号恢复为在两个导电线上电压的差异。为了传递数据，可以用许多不同方式调制所述差分发射的信号。在每一个信号路径上的所述电容耦合均用作在发射高频信号的同时阻断直流电压并且衰减低频信号的一种手段。在接收机中典型地包括电路系统来拒绝可能在对应的电压域之间出现的电压瞬变(例如共模信号)。

然而，对于所述两个电压域之间的每一个通信信道，这种方法都需要两个信号路径。例如，双向通信(即沿第一方向的第一通信信道以及沿第二方向的第二通信信道)需要四个信号路径，以及针对每一个通信信道的相应电容耦合电路。

发明内容

本公开的各个方面通常涉及与上述应用相关的接口和方法。在一个或者多个实施例中，不同电压域的电路在使用非差分信令技术的电容耦合信号路径上通信。

在一个特定的实施例中，设备设置用于使用多个信号路径在两个电压域之间通信，所述信号路径在所述电压域之间提供电容隔离。所述设备包括收发机电路，所述收发机电路具有：接收机电路，设置用于在多个信号路径中的第一路径上接收信号数据，以及发射机电路，设置用于在多个信号路径中的第二路径上发射信号数据。所述收发机包括补偿电路，设置用于基于在所述第三信号路径上的接地瞬变，来补偿来自在所述第一路径上承载的信号数据的接地瞬变。响应于在所述第三信号路径上的接地瞬变，所述补偿电路产生补偿信号，所述补偿信号设置用于补偿在所述第三信号路径上的接地瞬变。在所述第一信号路径上发射所述补偿信号，以便补偿在所述第一信号路径上的接地瞬变。

在另一个实施例中，通信系统包括第一单端信号线和第二单端信号线。通信设备与所述第一和第二信号线相连并且设置用于接收和解码来自所述第一单端信号线的信号。所述通信设备检测在所述第二单端信号线上的接地瞬变，并且基于所述第二单端信号线的电压产生补偿信号，所述补偿信号设置用于补偿在所述第二单端信号线上的接地瞬变。所述设备在所述第一单端信号线上发射所述补偿信号，以便补偿在所述第一信号路径上的接地瞬变。

上述概括并非旨在描述本公开的每一个实施例或者每种实施方法。以下的附图、详细描述和权利要求更具体地例证了各种实施例。

附图说明

考虑到以下结合附图的本公开各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本公开的各个方面，其中：

图1描述了根据本公开实施例的用于不同电压域之间通信的系统；

图2描述了根据本公开实施例的用于不同电压域之间通信的系统，所述系统沿每一个方向均具有两个通信信道；

图3描述了根据公开实施例的可用于实现图1所示通信系统的CMOS电路；

图4示出了根据本公开实施例的对使用图3所示电路对接地瞬变进行校正加以表示的波形；以及

图5示出了根据本公开实施例的用于在电压域之间通信的系统的方框图。

具体实施方式

尽管本公开可修改为各种改进和替代形式，其细节已经以示例的形式在附图中示出并且将被详细描述。然而，应当理解的是目的不是把本公开限制在所述的具体实施例。相反，目的在于覆盖落入本公开范围内的所有修改、等效和替代，所述范围包括在权利要求中定义的方面。

相信本发明的实施例适用于与多个导电线有关的通信方法、设备和系统，所述导电线用于流电隔离电路之间的数据通信。尽管本发明不必局限于这种背景，但是通过相关示例的讨论可以理解本发明的各个方面。

本公开的各个方面涉及彼此流电隔离的电路之间的数据传输。所述电路在使用电容耦合和非差分信号技术的信号路径上通信。在一个或者多个实施例中，提供了一种用于在不同电压域之间通信的系统，使用N+1个电容耦合导电线来提供N个通信信道。例如，可以使用三个电容耦合信号路径提供双向通信(例如沿第一方向的第一通信和沿相反方向的第二通信)。所述信号路径的两个用作单端(即非差分)信号路径。所述第三信号路径用于抑制两个电压域之间的电压扰动。

在一个或者多个实施例中，不同电压域的电路在电容耦合信号路径上通信。本公开的特定实施例涉及电容耦合导电线的使用，以便隔离的电压域之间提供非差分(例如单端)信号路径。

在一个特定的实施例中，设备设置用于使用多个信号路径在两个电压域之间通信，所述信号路径在所述电压域之间提供电容隔离。所述设备包括：接收机电路，设置用于在所述多个信号路径的第一信号路径上接收信号数据；以及发射机电路，设置用于在所述多个信号路径的第二信号路径上发射信号数据。所述设备包括补偿电路，设置用于响应于并且基于所述第三信号路径上的接地瞬变，对来自在所述第一路径上承载的信号数据的接地瞬变进行补偿。所述补偿电路在所述第一信号路径上发射补偿信号，以便补偿来自在所述第一信号路径上承载的信号数据的瞬变电流。

在一些实施例中，所述补偿电路包括第一和第二跨导放大器电路。所述第一跨导电路具有与所述第三信号路径相连的输入和输出。所述第二跨导电路具有与所述第三信号路径相连的输入以及与所述第一信号路径相连的输出。

在一些实施例中，所述接收机电路设置用于在至少两个信号路径上接收信号数据，并且独立地解码从每一个路径上接收到的信号数据。在这些实施例中，所述补偿电路还设置用于在至少一个附加路径上发射补偿信号。

在一些实施例中，所述接收机电路设置用于从在所述第一路径上接收到的信号中减去在所述第三路径上的瞬变电压。一些实施例可以包括偏置电路，所述偏置电路与所述接收机电路的输入相连并且设置用于以直流电压偏置所述接收机电路的输入。例如，所述偏置电路可以包括跨导放大器电路，所述跨导放大器电路具有经由电容器与接地电压相连的电压控制输入。所述跨导放大器的输入与所述接收机电路的输入相连，并且反馈回路将所述跨导放大器的输出连接至所述跨导放大器的输入。

在一些实施例中，所述设备还包括第二接收机、第二发射机和第二补偿电路，其在与所述上述第一接收机、发射机和补偿电路不同的电压域中工作。所述第二接收机电路设置用于在所述第二信号路径上接收信号数据，并且所述第二发射机电路设置用于在所述第一信号路径上发射信号数据。所述第二补偿电路设置用于响应于检测在所述第三信号路径上的电压瞬变来产生补偿信号。所述第二补偿电路在所述第二信号路径上发射所述第二补偿信号，以便补偿在所述第二信号路径上的接地瞬变。

现在转到附图，图1描述了根据本发明实施例的用于不同电压域之间通信的系统的方框图。在这个示例中，所述系统包括第一和第二收发机电路(110和140)，设置用于在三个信号路径(130、132和134)上的双向通信。每一个信号路径均与收发机110和收发机140电容耦合。

所述第一收发机110包括：发射机电路114，设置用于在第一个信号路径130上发射信号数据；以及接收机电路118，设置用于从第二个信号路径134接收信号数据。所述第一收发机110包括补偿电路120，设置用于产生补偿信号，所述补偿信号设置用于基于节点处的电压来补偿节点处的接地瞬变(Vcomp_A)。所述补偿电路120设置用于在所述第三信号路径132上发射所述补偿信号，以便减小节点处的接地瞬变电压(Vcomp_A)。类似地，所述补偿电路120设置用于在所述第二信号路径134上发射缓冲的补偿信号，以便减小节点处的接地瞬变电压(Vrx_A)。

类似地，所述第二收发机140包括接收机电路144，设置用于从所述第一个信号路径130接收信号数据，以及发射机电路146，设置用于在所述第二个信号路径134上将信号数据发射至所述第一收发机电路110。所述第二收发机140包括补偿电路150，设置用于产生补偿信号，所述补偿信号设置用于基于节点处的电压补偿节点处的电压瞬变(Vcomp B)。所述补偿电路120设置用于在所述第三信号路径132上发射所述补偿信号，以便减小节点处的接地瞬变电压(Vcomp_B)。类似地，所述补偿电路150设置用于在所述第二信号路径134上发射缓冲的补偿信号，以便减小节点处的接地瞬变电压(Vrx_B)。

每一个补偿电路(120/150)均包括第一跨导放大器(122/154)，设置用于输出在所述第三信号路径132上的电流，所述电流足以去除节点上的接地瞬变电压(VComp_A/VComp_B)。假设，在线路130上的电容器的大小与在导电线132上的那些电容器的大小相同，所述相同数量的电流应当足以校正所述收发机电路的接收机输入节点(Vrx_A/Vrx_B)处的接地瞬变电压。补偿电路150包括第二跨导放大器152，设置用于产生与由所述第一跨导放大器154产生的电流相同的电流。所述跨导放大器在电容耦合信号路径130上传输这个电流。结果，减小了节点Vrx_B上的接地瞬变。类似地，补偿电路120包括第二跨导放大器124，设置用于产生与由所述第一跨导放大器122所产生的电流相同的电流。所述跨导放大器在电容耦合信号路径134上传输这个电流，以便减小在接收机输入节点Vrx_B上的接地瞬变。

在一些实施例中，所述补偿电路可设置为对在相同电压域中的多个接收机输入上的接地瞬变进行补偿。例如，图2示出了图1所示系统的替代实施方法，所述系统包括附加的电容耦合信号路径。为了便于解释，在图2中使用图1的参考数字用于先前描述的元件。所述电容耦合信号路径将第二发射机202连接至第二接收机208。为了减小接收机输入节点Vrx_C处的接地瞬变，图1所示的补偿电路150修改为包括第三跨导放大器206，设置用于输出与信号路径204上跨导放大器154的电流相同的电流。

所述收发机和补偿电路可可进行缩放以为甚至更大数量的通信信道的接地瞬变进行补偿。对于要增加的每一个新的接收机信道，增加了新的发射机(例如202)、新的电容耦合信号路径(例如204)以及新的接收机电路208。新的跨导放大器(例如206)也被增加至如上所述的补偿电路150。

图3示出了可用于实现图1所示通信系统的一个或者多个实施例的CMOS电路。在这个示例实施方法中，CMOS逆变器用于实现发射机和跨导放大器电路。为了便于解释，使用在图1的讨论中出现的参考数字描述图3所示的电路。

使用各自的CMOS逆变器实现发射机电路120和146。在这个示例中，所述电容耦合信号路径130、132和134每一个均被建模为将具有寄生电容器的电容器耦合至两边各自的地。使用各自的CMOS逆变器电路实现所述补偿电路的第一跨导放大器122和154，所述逆变器电路具有与所述第三电容耦合信号路径132相连的输出和输入。将所述跨导放大器的输出连接至所述输入使所述放大器产生足以去除节点Vcomp_A和Vcomp_B上接地瞬变的电流。使用CMOS逆变器电路实现所述各自补偿电路的第二跨导放大器118和152。所述第二跨导放大器(118和152)由各自的补偿节点(Vcomp_A和Vcomp_B)驱动，以便使所述放大器产生与所述补偿电路各自的第一放大器(122和154)电流相同的电流。

图4示出了代表使用图3所示电路对接地瞬变进行校正的波形。所述波形描述了对于节点Vrx_B和VComp_B处的接地瞬变的发生和补偿。由于所有跨导放大器级的跨导都是有限的，在所述节点Vcomp_A、Vcomp_B、Vrx_A和Vrx_B上将会存在所述接地瞬变的一些有限残余。

在一些实施例中，收发机电路可设置用于使用差分放大器从接收到的非差分信号中减去所述瞬变残余。图5示出了根据本公开实施例的用于在电压域之间通信的系统的方框图。类似于参考图1所述的系统，图5中所示系统包括第一和第二收发机电路(510和540)，设置用于在三个信号路径(530、532和534)上的双向通信。每一个信号路径均电容耦合收发机A 510和收发机B 540。

所述第一收发机510包括：发射机电路514，设置用于在第一个导电路径530上发射信号数据；以及接收机电路518，设置用于从第二个导电路径534接收信号数据。所述第一收发机510包括补偿电路520，设置用于基于与所述第三信号路径532相连的节点(Vcomp_A)处的接地瞬变电压产生补偿信号。所述补偿电路520设置用于在所述第二信号路径534上发射所述补偿信号，以便减小节点(Vrx_A)处的接地瞬变。类似地，所述第二收发机540包括：接收机电路544，设置用于从所述第一个导电路径530接收信号数据；以及发射机电路546，设置用于在第二个导电路径534上将信号数据发射至所述第一收发机电路510。所述第二收发机540包括补偿电路550，设置用于基于与所述第三信号路径532相连的节点(Vcomp_B)处的接地瞬变电压产生补偿信号。所述补偿电路550设置用于在所述第二信号路径534上发射所述补偿信号，以便减小节点(Vrx_B)处的接地瞬变电压。

所述接收机电路(例如544)设置用于从所述电容耦合信号路径(例如530)接收到的输入信号中减去任何接地瞬变电压(例如Vcomp_B)。

在一些实施例中，每一个收发机电路510和540均可以包括与各个接收机输入节点(Vrx_A/Vrx_B)相连的偏置电路(例如560/562)，以便更好地定义所述节点的直流偏置电压。因为这些节点将跨导放大器(524/552)的各个输出分别连接至各个电容耦合信号路径(534/530)，节点Vrx_A和Vrx_B是高欧姆的并且不是强烈地被定义为直流。例如，可能由于跨导放大器552和554之间的失配在节点Vrx_B处产生的泄漏电流可以被在低频(远低于已选择的调制频率)下工作的反馈回路吸收，干净地设置所述节点Vrx_A和Vrx_B的直流电压。

在某些情况下，一个或者多个实施例可以使用不同的编码技术以及通过所述隔离区域通信数据的不同类型电路。所述数据通信可以使用模拟、数字、RF、串行和/或并行通信技术。对于某些高速应用，可以使用不同类型的调制方案用于承载信息通过所述隔离区，所述调制方案包括但不限于OOK(开关键控)、振幅、基于相位的和/或基于频率的。在一些情况下，可以在多个电路之间执行通信，所述多个电路置于单个芯片封装(例如BGA封装)内并且还具有其间的流电隔离。可以使用不同的隔离缓冲电路和放大器执行各种通信。还可以预期各种应用，包括但不限于在发射机与接收机之间存在小电压差的应用以及可以存在大电压的应用(例如可以在使用电动机取代内燃机(或者与其组合)的汽车应用中使用几百伏特)。根据在此讨论的一个或者多个实施例，美国专利No.6,920,576(2001年5月31日递交；Ehmann，Gregory E.)、美国专利No.6,882,046(2001年12月18日递交；Davenport等人)以及Burr-Brown 1995年1月在ISO102、ISO106中的“Signal Isolation Buffer Amplifiers”，每一个均描述了有用的技术细节、应用和各种背景信息，并且这些文献中的每一个均在此全文参考。

认为所述实施例适用于各种使用流电隔离的应用。本领域普通技术人员将从说明书的考虑中理解其他方面和实施例。尽管本公开经得起各种修改和替代形式的检验，其细节已经以示例的形式在附图中示出并且将进一步详细描述。应当理解，目的不是把本公开限制在所述的具体实施例和/或应用。相反，目的在于覆盖落入本公开精神和范围内的所有修改、等效和替代。

Claims

1.一种设备，设置用于多个信号路径，提供在所述信号路径上通信的设备之间的电容隔离并且包括：

接收机电路，配置用于在多个信号路径的第一路径上接收信号数据；

发射机电路，配置用于在多个信号路径的第二路径上发射信号数据；以及

补偿电路，配置用于响应于检测到第三信号路径上的接地瞬变进行以下操作：

产生补偿信号，设置用于对来自所述第三信号路径上承载的信号数据的接地瞬变电压进行补偿；以及

在多个信号路径的第一路径上发射所述补偿信号，以便对来自所述第一路径上承载的信号数据的接地瞬变电压进行补偿。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第二接收机电路，配置用于在多个信号路径的第二路径上接收信号数据；

第二发射机电路，配置用于在多个信号路径的第一路径上发射信号数据；以及

第二补偿电路，配置用于：

产生第二补偿信号，所述第二补偿信号足以对来自在所述第三路径上承载的信号数据的接地瞬变电压进行补偿；以及

在多个信号路径的第二路径上发射所述第二补偿信号，以便对来自在所述第二路径上承载的信号数据的接地瞬变电压进行补偿。

3.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述接收机电路配置用于在至少一个附加路径上接收信号数据并且独立地解码从每一个路径上接收到的信号数据；以及

所述补偿电路还配置用于在所述至少一个附加路径上发射所述补偿信号。

4.根据权利要求1所述的设备，其中在所述第一信号路径上接收的信号数据以及在所述第二信号路径上发射的信号数据是非差分信号。

5.根据权利要求4所述的设备，其中：

所述接收机电路设置用于从在所述第一路径上接收的信号中减去所述第三路径上的瞬变电压。

6.根据权利要求5所述的设备，还包括与所述接收机电路的输入相连的偏置电路，所述偏置电路配置用于以直流电压偏置所述接收机电路的输入。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述偏置电路包括跨导电路，所述跨导电路具有：

经由电容器与接地电压相连的电压控制输入；

与所述接收机电路的输入相连的输出；以及

反馈回路，将所述跨导电路的输出连接至所述跨导电路的输入。

8.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述第一发射机电路和所述第一接收机电路在第一电压域中工作；以及

所述第二发射机电路和第二接收机电路在第二电压域中工作，所述第二电压域不同于所述第一电压域。

9.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述补偿电路包括第一和第二跨导级电路；

所述第一跨导电路的输出与所述第三信号路径、所述第一跨导电路的输入以及所述第二跨导电路的输入相连；以及

所述第二跨导电路的输出与所述第一信号路径相连。

10.根据权利要求1所述的设备，其中按照单位增益结构连接所述第一跨导电路。

11.一种通信系统，包括：

第一单端信号线和第二单端信号线；以及

通信设备，与所述第一和第二信号线相连，并且配置用于：

接收并且解码来自所述第一单端信号线的信号；

检测所述第二单端信号线上的接地瞬变；

基于所述第二单端信号线的电压，产生第一补偿信号，所述第一补偿信号设置用于对所述第二单端信号线上的接地瞬变进行补偿；以及

在所述第一单端信号线上发射第二补偿信号，所述第二补偿信号等于所述第一补偿信号。

12.根据权利要求11所述的通信系统，其中所述通信设备设置用于接收和解码来自所述第一单端信号线的非差分信号。

13.根据权利要求11所述的通信系统，其中所述通信设备包括：

接收机电路，配置用于执行来自所述第一单端信号线的信号的接收和解码；以及

第一跨导电路，具有与所述第二单端信号线耦合的输出，并且配置用于：

检测所述第二单端信号线上的接地瞬变；以及

基于所述第二单端信号线上的电压，产生所述补偿信号，所述补偿信号设置用于对所述第二单端信号线上的接地瞬变进行补偿；以及

第二跨导电路，具有与所述第一单端信号线耦合的输出，并且设置用于在所述第一单端信号线上发射所述第二补偿信号，所述第二补偿信号等于所述第一补偿信号。

14.根据权利要求13所述的通信系统，其中所述第一和第二跨导电路每一个均具有与所述第一跨导电路的输出相连的输入。

15.根据权利要求13所述的通信系统，其中所述接收机电路设置用于从所述第一单端信号线接收的信号中减去在所述第二单端信号线上检测的接地瞬变。

16.根据权利要求15所述的通信系统，其中所述通信设备还包括与所述接收机电路的输入相连的偏置电路，所述偏置电路配置用于以直流电压偏置所述接收机电路的输入。

17.根据权利要求16所述的通信系统，其中所述偏置电路包括第三跨导电路，所述第三跨导电路具有：

经由电容器与接地电压相连的电压控制输入；

与所述接收机电路的输入相连的输出；以及

反馈回路，将所述第三跨导电路的输出连接至所述第三跨导电路的输入。

18.根据权利要求16所述的通信系统，其中按照单位增益结构连接所述第一跨导电路。

19.根据权利要求11所述的通信系统，还包括第三单端信号线，以及

其中所述通信设备还配置用于：

接收和解码来自所述第三单端信号线的信号，以及

在所述第三单端信号线上发射第三补偿信号，所述第三补偿信号等于所述第一补偿信号。

20.根据权利要求19所述的通信系统，其中所述通信设备包括：

第一跨导电路，具有与所述第二单端信号线相连的输出，并且配置用于：

检测所述第二单端信号线上的接地瞬变；以及

基于所述第二单端信号线上的电压，产生所述补偿信号，所述补偿信号设置用于对所述第二单端信号线上的接地瞬变进行补偿；

第二跨导电路，具有与所述第一单端信号线耦合的输出，并且设置用于在所述第一单端信号线上发射所述第二补偿信号，所述第二补偿信号等于所述第一补偿信号；以及

第三跨导电路，具有与所述第三单端信号线耦合的输出，并且设置用于在所述第一单端信号线上发射所述第三补偿信号，所述第三补偿信号等于所述第一补偿信号。