CN106062725A - 串行通信中的电隔离 - Google Patents

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Abstract

一种电子电路包括第一通信接口和第二通信接口以及隔离电路。所述第一通信接口和所述第二通信接口是USB 3兼容的。所述隔离电路在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间，并与所有USB 3通信模式兼容。

Description

串行通信中的电隔离
相关申请案的交叉引用
本专利申请要求在2014年10月3日提交的美国临时专利62/059,696的优先权并且还要求在2014年1月7日提交的美国临时专利号61/924,277的优先权；其中的二者出于所有目的以引用的方式特此并入。
背景技术
当电子装置彼此通信时，对电子装置的电或电流隔离通常对减小或消除通信流(communication stream)中的噪声或防止任一电子装置由于来自其他电子装置的电压尖峰造成的故障或损坏是必要的。因此，需要将隔离电路提供在电子装置之间的通信路径内。已经为了各种应用程序形成各种类型隔离电路。除了各种其他数字隔离解决方案之外，这种隔离电路可涉及电容、电感或光学隔离技术。一种示例电容隔离解决方案提供在WIPO专利申请WO/2012/065229A1(2012年5月24日公开)中，其转让给与本发明相同的受让人，并且以引用的方式并入本文，如同在本文中完全阐明那样。
在电子装置之间的通信的一些实例由各种通用串行总线(USB)标准以及许多其他标准定义。用于USB 2通信的示例隔离电路提供在WIPO专利申请WO/2012/159168A1(2012年11月29日公开)中，其转让给与本发明相同的受让人，并且以引用的方式并入本文，如同在本文中完全阐明那样。
发明内容
本发明的一些实施方案实现对与USB 3标准所定义的所有通信节点兼容的电子装置的隔离。另外，一些实施方案与USB 2标准是向后兼容的。此外，在一些实施方案中，通过电容隔离解决方案提供所述隔离。
本发明的一些实施方案实现在两个不同通信频率等级下操作的电子装置之间的隔离。例如，在一些实施方案中，隔离电路可以在10Mbps和5Gbps通信频率两者下操作。
附图说明
图1是结合本发明的至少一个实施方案的一种电子系统的简化示意图示。
图2是结合本发明的至少一个实施方案的另一电子系统的简化示意图示。
图3是根据本发明的实施方案的用于图1所示电子系统中的USB 3隔离电路的简化示意图示。
具体实施方式
电子系统100根据本发明的一些实施方案在图1中示出。电子系统100一般包括连接在两个USB 3装置102和103之间的USB 3接口电路101。USB3接口电路一般利用两个USB 3装置102和103之间的隔离保护来实现所有模式的USB 2和3通信。两个USB 3装置102和103可为与USB 3标准兼容的任何适当电子装置。
USB 2标准从早期USB 1标准中演进而来，并且一般需要在USB 2兼容的装置之间、处于约1.5Mbps(低速)、12Mbps(全速)和480Mbps(高速)的速率或频率下的通信模式。这些通信模式在两条双向通信电路上提供。两条另外线路提供用于在主机USB 2装置与不具有独立电源的附接的非主机USB 2装置之间的供电和接地。
在一方面，USB 3标准(参考版本3.0和3.1)一般需要在USB 3兼容的装置之间、处于约5Gbps或10Gbps(超高速)的速度或频率下的通信模式。这些通信模式提供在四条低电压差分信令(LVDS)单向通信线路上，一个LVDS线路对在一个方向上，每条线路处于约4.8Gbps(在其许多描述中，其舍入到5Gbps)。因此，每一LVDS对在一个方向上提供约5Gbps的通信。四条单向通信线路允许同时5-10Gbps信令逆流和顺流。四条单向通信线路被已知为超高速型接口。另外，在USB 2或USB 1装置被连接到USB 3装置的情况下，USB 3标准还进一步需要与USB 2标准的向后兼容。因此，USB 2装置的两条双向线路以及供电和接地线路还与四条超高速型单向线路一起包括在USB 3装置中。
两条双向线路USB 2线路(104和105)以及四条单向USB 3线路(106-109)在图1中示为处于USB 3接口电路101的每侧上。为了简单起见，供电和接地线路未示出。
USB 3接口电路101一般包括用于USB 2通信路径110和USB 3通信路径111的电路。因此，图1示出USB 3隔离功能在概念上分解成两个子功能，即双向USB 2信号接口(USB 2通信路径110)隔离和单向USB 3超高速型接口(USB 3通信线路111)隔离。两条双向USB 2线路104和105通过USB2通信路径110连接。四条单向USB 3线路106-109通过USB 3通信路径111连接。
由于USB 2或USB 1装置可连接到USB 3装置102或103中的任一装置，因此USB 3标准需要逐步列举过程以便以两个装置的可能最高速度来在任何两个USB装置(低速、全速或超高速)之间建立连接。在一些实施方案，USB装置自动地识别和仲裁通信模式。根据这个过程，当USB 3装置已检测到存在另一USB装置(术语任何标准)时，USB 3装置将首先会尝试通过两条双向USB 2线路(例如，104和105)以低速或全速进行连接。如果在全速下建立通信，那么USB 3装置还进一步尝试通过两条双向USB 2线路(例如，104和105)在高速下建立通信。如果另一USB装置无法实现更高速度，那么尝试将会失败，并且USB 3装置将恢复为全速通信模式来与这个USB装置通信，并且USB 3装置将永远达不到激活四条单向USB 3线路(例如，106-109)的点。然而，如果高速通信成功，那么通信在这个速度下建立。
目前为止，列举过程与USB 2装置的列举过程类似，并且尚未涉及四条单向USB 3线路(例如，106-109)。因此，USB 2装置将会停止尝试此时增加通信速度，因为它已经到达其可能最大速度。另一方面，如果在四条单向USB 3线路(例如，106-109)上检测到了装置，那么USB 3装置将进一步尝试达超高速。然而，这个步骤未直接地达到5Gbps速率。相反，USB3装置首先使用通过USB 2部分来交换的特殊信息序列，尝试通过四条单向USB 3线路(例如，106-109)建立更慢速率通信(约10Mbps)。如果通过USB 2部分来交换的特殊信息序列无法指示所附接的USB装置与USB 3标准兼容，那么USB 3装置恢复两条双向USB 2线路(例如，104和105)上的高速通信模式，以便进一步与其他USB装置通信。然而，如果通过USB 2部分来交换的特殊信息序列指示所附接的USB装置与USB 3标准兼容，那么USB 3装置通过四条单向USB 3线路(例如，106-109)建立通信。在更慢速率连接成功后，USB 3装置就会在四条单向USB 3线路(例如，106-109)上最终达到超高速的通信速率。
如从以上列举过程可见，合适USB 3标准设计解决方案必须包括合适USB 2标准解决方案，以便进入超高速的通信模式。类似地，就需要隔离保护的USB 3解决方案而言，总设计的USB 2部分还必须对所有通信模式提供隔离保护。另外，不可接收的噪声或电压尖峰可以通过USB 2部分在两个USB3装置之间传输。因此，用于USB 2通信路径110的电路一般包括USB 2隔离电路或芯片112，并且用于USB 3通信路径111的电路一般包括USB 3隔离电路113。在物理层级上，USB 3超高速型接口部分可视为与标准USB 2接口部分互补但独立的。
在一些实施方案中，先前所提到的WIPO专利申请WO/2012/159168A1(公布于2012年11月29日)中示出的电路可以用于USB 2通信路径110，包括USB 2隔离电路112。其他实施方案可以使用用于在USB 2通信路径110中实现隔离保护的其他适当电路。在一些实施方案中，USB 2通信路径110或USB 2隔离电路112可以代表IC封装内的单个裸片或多个裸片，并且可以采用数字隔离器(例如电容、电感、光学、巨磁电阻(GMR))中使用的任何电流隔离方法。
另外，在一些实施方案中，先前所提到的WIPO专利申请WO/2012/065229A1(公布于2012年5月24日)中示出的电路可以用于在适当时或在隔离器芯片的内部使用单个裸片的任何情况下提供隔离。例如，可以使用能够提供所需电流隔离的任何厚的介电基板。实例为SOS、SOI、翻转(层转移)SOI等。这个专利申请中公开的其他元件(诸如内部ESD保护、破碎的密封环等等)也可适用。
在一些实施方案中，除了USB 3隔离电路113之外，用于USB 3通信路径111的电路一般包括一个或多个超高速中继器或再驱动器(redriver)114和115。超高速中继器114和115连接在USB 3隔离电路113与四条单向USB3线路106-109之间，位于USB 3隔离电路113的任一侧。因此，超高速中继器114和115用作USB 3兼容的通信接口。另外，虽然超高速中继器114和115以及USB 3隔离电路113示为通过四条单向线路116-119(类似于四条单向USB 3线路106-109)连接，但应理解，本发明不一定受到如此限制。相反，任何适当的数字和方向均可用于线路116-119，这取决于USB 3隔离电路113的要求。
超高速中继器114和115一般在四条单向USB 3线路106-109上、在USB3接口电路101外实现与USB 3标准的兼容。在一些实施方案中，超高速中继器114和115可为任何适当当前可用超高速中继器电路(例如，可从美信集成产品公司(Maxim Integrated)商购得的零件编号MAX14972)。在其他实施方案中，超高速中继器114和115可专门设计成(根据USB 3隔离电路113的要求)在单向USB 3线路106-109上在USB 3隔离电路113与USB 3装置102和103之间进行对接。
USB 3隔离电路113可以包括任何适当类型隔离部件。在一些实施方案中，例如，USB 3隔离电路113可以包括电容器组以及使处于包括使单向USB3线路106-109必须能够完全达到USB 3符合性的两个频率(10Mbps和5Gbps)的频带的通信信号能够通过的另外电路部件。在一些实施方案中，USB 3隔离电路113的功能的至少部分可视为类似于双带通滤波器功能，其中在两个期望频率周围的相对窄的频带内的信号允许通过，并且那两个频带外或之间的任何信号被滤波出。在一些实施方案中，处于两个频率中的一个下的信号可显著地放大(例如，利用高增益放大器)，以便连同处于两个频率中的另一频率下的信号一起通过USB 3隔离电路113。
超高速中继器114和115一般被设计成容许串联式电容器。在USB装置之间的数据内容一般是DC平衡的，以便确保在任何串联式电容器上没有净DC电压。在一些实施方案中，这种对串联式电容器的容许可以用于使用可商购的现成(COTS)部件来将四条单向USB 3超高速型线路106-109隔离。在此类实施方案中，超高速中继器114和115用于对超高速信号进行缓冲，并将它们施加在高电压(例如，1-5kV)隔离电容器上。由于仅仅将隔离电容器插入到超高速长电缆或通信路径中很有可能不起作用，因此超高速中继器114和115是需要的，这是因为高频率隔离电容器一般具有的值在10-500pF的范围内，而一些超高速型线路中使用的串联式电容器具有约100nF的值。
用其他隔离元件(例如，变压器或GMR元件)来替代隔离电容器也不太可能起作用，因为超高速型接口一般与那些元件的电学特性不太兼容。阻抗匹配例如可能是不太实际的。
在一些实施方案中，USB 3接口电路101代表电路板，并且USB 2通信线路110和USB3通信线路111代表安装在电路板上的分立IC芯片。在这种情况下，在一些实施方案中，USB2通信线路110可为任何适当可用USB 2隔离解决方案，只要这个解决方案能够实现对所有USB 2通信模式的隔离保护。在一些实施方案中，USB 2通信线路110或USB 2隔离电路112可以代表IC封装内的单个裸片或多个裸片，在一些实施方案中，USB 3隔离电路113和USB 3通信路径111的超高速中继器114和115可以代表安装在电路板上的单独IC芯片，使得在一些实施方案中，USB 3超高速中继器114和115可为任何适当现成芯片。或者，在为减少成本、大小和功率的一些实施方案中，USB 3通信路径111可以代表单个独立芯片(单个裸片或多个裸片)，而非芯片组或现成部件，在一些实施方案，用于通过USB 3通信路径111的两个不同方向的部件可以分成不同IC芯片。这是有可能的，因为两个不同方向超高速型信道之间并不需要特殊定时同步。
在一些实施方案中，USB 3接口电路101代表多芯片IC封装，并且USB2和USB 3通信路径110和111代表安装在多芯片封装中的两个或更多个IC裸片。在这种情况下，在一些实施方案中，USB 2通信路径110可为任何适当现成USB 2隔离解决方案。另外，USB 3通信路径111可以代表一个或多个IC裸片，其中一些可为现成可获得的。
在一些实施方案中，USB 3接口电路101代表单个IC芯片(单个裸片或多个裸片)。在这种情况下，USB 2通信路径110和USB 3通信路径111更完整地集成到单个解决方案中，以便成本、大小、性能和功率状况更佳。
在一些实施方案中，USB 3超高速中继器114和115中的一个不包括或是任选的。这个布置在USB 3隔离电路113放在(即，利用长度小于10cm的居间电缆或通信线路)主机USB3装置或所附接的USB 3装置或USB 3集线器适当的逆流或顺流部分附近或它们中时是适当的。
另一电子系统200根据本发明的一些替代实施方案在图2中示出。在这种情况下，与先前实施方案中的元件所使用的参考数字相同的参考数字可指可与先前实施方案中的对应元件相同或大体类似的元件。另外，电子系统200一般包括连接在两个USB 3装置102和103之间的USB 3接口电路201。除了标准USB供电和接地线路(为了简单起见而未示出)之外，USB 3接口电路201一般通过两条双向USB 2线路104和105和四条单向USB 3线路106-109来连接到USB 3装置102和103。USB 3接口电路一般利用两个USB3装置102和103之间的隔离保护来实现所有模式的USB 2和3通信。两个USB 3装置102和103可为与USB 3标准兼容的任何适当电子装置。
USB 3接口电路201一般包括USB 2通信路径110和USB 3通信路径202。USB 2通信路径110在USB 3装置102和103之间进行USB 2标准通信，包括上述USB 2标准列举过程步骤。USB 3通信路径202一般在USB 3装置102和103之间进行USB 3标准通信，包括上述后续USB 3标准列举过程步骤。USB 3通信路径202一般包括数字隔离器组203以及超高速(LVDS)收发器和SERDES(串联器/解串器电路)204和205。
根据图2的实施方案一般不依赖于如先前实施方案期望的高电压隔离电容器。相反，超高速收发器和SERDES 204和205用于在数字隔离器组203的逆流和顺流侧处接收/传输超高速信号。数字隔离器组203一般包括多条单向数字隔离器信道。单向数字隔离器信道一般跨超高速收发器和SERDES 204和205之间的隔离屏障传递信号内容。由于本领域数字隔离器的电流状态一般被限制为小于约640Mbps/信道并且可商购的数字隔离器芯片被限制于约150Mbps/信道，因此单条数字隔离器信道一般无法承受整个USB 3标准5-10Gbps数据速率。因此，串联器-解串器(SERDES)功能可以用于将四条单向USB 3线路106-109上的串联数据转换成多条平行线路206上的平行数据，反之依然，在一些实施方案中，这些功能可以集成在超高速收发器和SERDES 204和205(如图所示)内，或者它们在单独芯片内。随后，可将线路206上的平行数据馈送到数字隔离器组203内的与实现整个USB 3标准通信速率所需的一样多的数字隔离器中。
在一些实施方案中，USB 3接口电路201代表电路板，并且USB 2通信路径110和USB3通信路径202代表安装在电路板上的IC芯片，在这种情况下，在一些实施方案中，USB 2通信路径110可为任何适当可用USB 2隔离解决方案，只要这个解决方案能够实现对所有USB2通信模式的隔离保护。在一些实施方案中，USB 2通信路径110可以代表封装内的单个裸片或多个裸片。在一些实施方案中，数字隔离器组203以及USB 3通信路径202的超高速收发器和SERDES 204和205可以代表安装在电路板上的单独IC芯片。或者，在为减少成本、大小和功率的一些实施方案中，USB 3通信路径202可以表示单个独立芯片(单个裸片或多个裸片)，而非芯片组或现成部件，在一些实施方案，用于通过USB 3通信路径202的两个不同方向的部件可以分成不同IC芯片。这是有可能的，因为两个不同方向超高速型信道之间并不需要特殊定时同步。
在一些实施方案中，USB 3接口电路201代表多芯片IC封装，并且USB2和USB 3通信路径110和202代表安装在多芯片封装中的两个或更多个IC裸片。在这种情况下，在一些实施方案中，USB 2通信路径110可为任何适当现成USB 2隔离解决方案。另外，USB 3通信路径202可以代表一个或多个IC裸片，其中一些可为现成可获得的。
在一些实施方案中，USB 3接口电路201代表单个IC芯片(单个裸片或多个裸片)，在这种情况下，USB 2通信路径110和USB 3通信路径202更完全地集成到单个解决方案中，以使成本、大小、性能和功率状况更佳。
可用作图1中的USB 3隔离电路113的示例USB 3隔离电路300在图3中示出。用于USB 3隔离电路的其他设计还可用作USB 3隔离电路113。因此，USB 3隔离电路300仅仅出于例示性和解释性的目的示出。
在这个实例中，USB 3隔离电路300一般包括单向线路116-119内的四条单向隔离电容器301-304以及如所示那样连接的八个电阻器305-312。隔离电容器301和302的顺流节点分别连接在对应电阻器对305/309与306/310之间。隔离电容器303和304的顺流节点分别连接在对应电阻器对307/311与308/312之间。电阻器对305/309和306/310连接在第一电压VDD1与第一接地GND1之间，位于隔离电容器301和302的第一侧(在USB 3超高速中继器114下游)上。电阻器对307/311和308/312连接在第二电压VDD2与第二接地GND2之间，位于隔离电容器303和304的第二侧(在USB 3超高速中继器115下游)上。从右到左单向线路116和117分别通过隔离电容器301和302。从左到右单向线路118和119分别通过隔离电容器303和304。
在一些实施方案中，隔离电容器301-304是具有范围从4.7nF至100nF的电容值的高电压(例如，约1-5kV)隔离电容器。在此类实施方案中，隔离电容器301-304具有相对低的ESR(有效串联电阻)和相对低的ESL(有效串联电感)以使得能够在10Mbps和5Gbps两者下传递通信信号。在一些实施方案中，电阻器305-312形成用于改进在USB 3电气闲置状态下超高速中继器114和115(图1)的接收器输入端处的差分信号条件的网络。在此类实施方案中，电阻器305-312一般具有约1％的公差、5KΩ或更高的电阻值、以及需要将线路116-119上的信号在超高速中继器114和115的接收器输入端处维持处于约1V的值。
虽然本发明的实施方案已主要针对其具体实施方案进行了论述，但是其他变型是可能的。所描述系统的各种配置可替代本文中呈现的配置来使用，或作为其附加来使用。
本领域的技术人员将会了解先前描述仅是示例性的，而并不旨在限制本发明。本公开中的任何内容均不应指示本发明受限于要求特定形式半导体处理的系统或受限于集成电路，大体来说，所呈现的任何图示仅仅旨在指示一种可能配置，并且许多变型是可能的。本领域的技术人员还将了解符合本发明的方法和系统适合用于各种各样应用程序。
虽然本说明书已经针对本发明的具体实施方案进行了详细描述，但将了解本领域的技术人员在理解先前内容后，可轻易地构想这些实施方案的更改、变型和等效物。本发明的这些和其他修改和变型可由本领域的技术人员实践，而不背离本发明的精神和范围，其更特定地在所附权利要求中阐明。

Claims (18)

1.一种电子电路，其包括：
第一通信接口和第二通信接口，其是USB 3兼容的；以及
隔离电路，其在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间；
其中所述隔离电路与所有USB 3通信模式兼容。
2.根据权利要求18所述的电子电路，其还包括：
第三通信接口和第四通信接口，其是USB 2兼容的并安装有所述第一通信接口和所述第二通信接口；以及
第二隔离电路，其在所述第三通信接口与所述第四通信接口之间；
其中所述第二隔离电路与所有USB 2通信模式兼容。
3.根据权利要求18所述的电子电路，其中所述隔离电路包括电容隔离部件。
4.根据权利要求18所述的电子电路，其中所述电容隔离部件包括：
隔离电容器；以及
电阻器对，其与所述隔离电容器相对应；
其中：
所述隔离电容器在所述第一通信接口与所述第二通信接口之间的单向通信线路内；并且
所述隔离电容器的下游节点连接在所述对应电阻器对到一个或多个VDD电压节点和一个或多个接地电压节点之间。
5.一种电子电路，其包括：
第一串行通信接口和第二串行通信接口；以及
隔离电路，其在所述第一串行通信接口与所述第二串行通信接口之间；
其中所述隔离电路在两个不同通信频率等级下操作。
6.根据权利要求18所述的电子电路，其中
所述第一串行通信接口和所述第二串行通信接口是USB 3兼容的；并且
所述隔离电路与所有USB 3通信模式兼容。
7.根据权利要求6所述的电子电路，其还包括：
第三串行通信接口和第四串行通信接口，其是USB 2兼容的并安装有所述第一串行通信接口和所述第二串行通信接口；以及
第二隔离电路，其在所述第三串行通信接口与所述第四串行通信接口之间；
其中所述第二隔离电路与所有USB 2通信模式兼容。
8.根据权利要求18所述的电子电路，其中所述隔离电路包括电容隔离部件。
9.根据权利要求8所述的电子电路，其中所述电容隔离部件包括：
隔离电容器；以及
电阻器对，其与所述隔离电容器相对应；
其中：
所述隔离电容器在所述第一串行通信接口与所述第二串行通信接口之间的单向通信线路内；并且
所述隔离电容器的下游节点连接在所述对应电阻器对到一个或多个VDD电压节点和一个或多个接地电压节点之间。
10.根据权利要求18所述的电子电路，其中所述两个不同通信频率等级中的一个是在约5Gbps。
11.根据权利要求18所述的电子电路，其中所述两个不同通信频率等级包括约10Mbps的第一通信频率等级和约5Gbps的第二通信频率等级。
12.一种方法，其包括：
接收在第一频率下的第一串行通信；
通过隔离电路传输所述第一串行通信；
接收在第二频率下的第二串行通信，所述第二频率大于所述第一频率；以及
通过所述隔离电路传输所述第二串行通信；
其中所述隔离电路在所述第一频率和所述第二频率两者下提供电流隔离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
所述第一串行通信和所述第二串行通信是USB 3兼容的；并且
所述隔离电路与所有USB 3通信模式兼容。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括：
接收第三串行通信，其是USB 2兼容的；以及
通过第二隔离电路传输所述第三串行通信，所述第二隔离电路与所有USB 2通信模式兼容并安装有所述第一隔离电路。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述隔离电路包括电容隔离部件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电容隔离部件包括：
隔离电容器；以及
电阻器对，其与所述隔离电容器相对应；
其中：
所述隔离电容器在第一串行通信接口与第二串行通信接口之间的单向通信线路内；并且
所述隔离电容器的下游节点连接在所述对应电阻器对到一个或多个VDD电压节点和一个或多个接地电压节点之间。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一频率是在约5Gbps。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二频率是在约10Gbps。
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