CN110944479A - 一种具有多级电隔离的高速网络器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有多级电隔离的高速网络器件，包括具有高速互连多级隔离器件或电路，所述器件或电路设置于一个高速通信网络设备中。本发明的优点是：结构简单，降低成本，提高性能。具有高速互连多级隔离器件或电路，所述器件或电路设置于一个高速通信网络设备中，局部PCB层数可以减少。原本多层的PCB也可以减少PCB尺寸，从而降低成本，还可以传输损耗降低PCB。用于连接PCB之间的同轴电缆可以用双绞线代替跳线，也降低了成本，提高了性能。使制造的灵活性，成本将大大降低。实现低成本与高速，可广泛应用于小型网络接口电脑、路由器或交换机。

Description

一种具有多级电隔离的高速网络器件

本发明享有美国临时申请号为62636125的优先权

技术领域

本发明涉及一种具有多级电隔离的高速网络器件。

背景技术

CN202535385的专利文献公开了一种网络安全隔离设备，包括一块主控芯片，一个可编程逻辑电路模块，一个控制电路模块，一个上行数据端口模块，一个下行数据端口模块，一个数据存储器模块。其显著缺点是，成本比较高昂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有多级电隔离的高速网络器件，其结构简单，对PCB板的要求低，从而使成本显著降低。这也使网络器件设计更灵活

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种具有多级电隔离的高速网络器件，包括具有高速互连多级隔离器件或电路，所述器件或电路设置于一个高速通信网络设备中。

本发明的有益效果为：

第一，局部PCB层数的减少由于使用了本发明的设计，原本一个多层的PCB板可以分开成为三块不同的PCB板，根据分开部分的通信需求可以局部减少PCB板的层数，来减少成本。

第二，缩小后的多个PCB板之间采用用跳线或者互联电缆连接，由于使用分隔的PCB可以缩小多层PCB的尺寸，从而降低成本，使用双绞线或者同轴电缆取代传统的PCB布线和连接器的结构可以通过减少传输损耗，扩大频宽来提高性能。

第三，板材随着层数减少，成本也会降低，被分隔的少层PCB部分由于处于频率较低的物理层电路端，根据通信需求，PCB的板材也可以比高速多层的网络处理电路的PCB板材更便宜，以此进一步减少成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是多级电压隔离以太网交换系统在同一PCB板上的示意图；

图2是基于本发明的一种新的用于高速通信的多级电隔离以太网交换机系统，系统分布在多块PCB板上示意图；

图3是一种新的基于本发明的连接多个PCB的多级电隔离以太网交换机的高速互连结构的示例；

图4是根据本发明的具有两个连接器的多级电压隔离与跳线集成的高速互连结构的一个示例；

图5是根据本发明的两个连接器与多级电压隔离集成的高速互连结构的一个示例；

图6是基于本发明的多电平隔离以太网交换机的高速互连分离结构的一个示意图；

图7描述了在物理层和具有电压隔离点的进一步网络处理芯片之间的PCB跟踪连接的示例；图中塑料隔离应为电压隔离；

图8描述了物理层和具有PCB隔离装置的进一步网络处理芯片之间的互连电缆的示例；图中虚线为电压隔离界面；

图9描述了一种物理层和进一步网络处理芯片之间的同轴电缆的示例；

图10描述了一个基于物理层和进一步网络处理芯片之间的双绞线的例子；

图11描述了在物理层和具有集成隔离连接器的进一步网络处理芯片之间的互连电缆的示例；图中虚线为电压隔离界面；

图12描述了新型多电平电压隔离的以太网交换机系统与片上集成系统前端混合段两隔离电源按照本发明的高速通信；

图13描述了基于本发明的两个隔离电源的高速通信的多电平隔离以太网交换分离系统实例；

图14描述了基于本发明的单电源和隔离DC-DC变换器与PoE高速通信的新型多电平电压隔离以太网交换机实例。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

本发明的具有多级电隔离的高速网络器件，其具有高速互连多级隔离器件或电路，所述器件或电路设置于一个高速通信网络设备中，所述高速通信网络设备的串行连接可以达到相对高的速率，例如，10Gb/s以上。具有所述串行连接的电路板能够消除不必要的传输损耗。本发明可以包括跳线和连接器或其他基于PCB的互连高速通信器件。

在一个现有技术的实施例中，请参照图1，背板170连接第三多级隔离电路160，第三多级隔离电路160连接Mac电路及附属网络处理电路150，Mac电路及附属网络处理电路150连接第二多级隔离电路140，第二多级隔离电路140连接物理层电路130，物理层电路130连接第一多级隔离电路120，第一多级隔离电路120连接物理接口110。

在一个实施例中，图1增加了第三多级隔离电路，都是在同一个PCB板上的。图2开始通过本发明就把系统分离在2-3个PCB板上。

在一个实施例中，请参照图2，背板170连接第三多级隔离电路160，第三多级隔离电路160连接Mac电路及附属网络处理电路150，Mac电路及附属网络处理电路150连接第二多级隔离电路140，第二多级隔离电路140连接物理层电路130，物理层电路130连接第一多级隔离电路120，第一多级隔离电路120连接物理接口110。

在一个实施例中，请参照图3，背板170连接具有多级隔离的互连电缆与连接器161，具有多级隔离的互连电缆与连接器161连接Mac电路及附属网络处理电路150，Mac电路及附属网络处理电路150连接具有多级隔离的带连接器的跳线141，具有多级隔离的带连接器的跳线141连接物理层电路130。

在一个实施例中，请参照图4，第二接口单元450连接于第一连接器440，第一连接器440连接具有多级隔离的跳线430，具有多级隔离的跳线430连接第二连接器420，第二连接器420连接第一接口单元410。

在一个实施例中，请参照图5，第二接口单元450连接于具有多级隔离的第一连接器441，第一连接器441连接跳线430，跳线430连接具有多级隔离的第二连接器421，第二连接器421连接第一接口单元410。

在一个实施例中，请参照图6，第二接口450连接第一多级隔离电路441，第一多级隔离电路441连接第一连接器440，第一连接器440连接跳线430，跳线430连接第二连接器420，第二连接器420连接第二多级隔离电路411，第二多级隔离电路411连接第一接口。

在一个实施例中，请参照图7，附属网络处理电路与其它芯片150通过PCB布线710与物理层电路130进行连接，隔离方式采用电压隔离。

图7是把隔离器件放在PCB板上需要通过PCB布线以及连接器来链接另外一个PCB板的其他器件。但是本专利通过新的互联电缆把这些PCB布线，隔离器件，连接器都去掉了，并把系统分布在不同的PCB板上来降低成本提高设计灵活性。新的互联电缆中包含电容来取代隔离器件和连接器的作用。并且，传统的跳线技术都是同轴电缆线。本发明通过将电压隔离的分开，可以直接使用双绞线来完成低成本高性能的高速传输。

在一个实施例中，请参照图8，附属网络处理电路及外围电路150通过PCB布线连接隔离器件860与插座850，插座810通过PCB布线连接物理接口130，插座850与810分别连接插头840与820，插头840与820之间通过互连电缆830进行连接。830通常使用同轴电缆线如图9所示。

在一个实施例中，请参照图9与图10，因为PCB被分开而且已经集成了隔离器件，可以进一步在实施例中可以使用双绞线取代同轴电缆线，来进一步降低成本。在一个实施例中，本发明可包括分开或分立的隔离元件，这些隔离元件串联连接以允许进行高压隔离，同时在每个隔离元件上具有较低的隔离电压。

在一个实施例中，所述每个隔离元件包括电容器，光电隔离装置，一个磁耦合装置，或半导体装置的一种或多种。这样，多级隔离可以提供直流电压和共模电压滤波，或抗干扰，可以进行不同的组合，以允许隔离输入端有直流电压和共模电压抗干扰。

在一个实施例中，请参照图11，附属网络处理电路及外围电路150通过PCB布线连接第一连接器，第二连接器1140通过第一多级隔离电路1150与互连电缆1130连接，互联电缆可以是双绞线，互连电缆1130通过第二多级隔离电路1110与第三连接器1120连接，第四连接器通过PCB布线与物理层电路130连接。

在一个实施例中，请参照图12，背板170连接具有多级隔离的互连模块160，具有多级隔离的互连模块160连接Mac电路及附属网络处理电路150，Mac电路及附属网络处理电路150连接具有多级隔离的互连电路140，具有多级隔离的互连电路140连接集成前端混合芯片1210，集成前端混合芯片1210连接物理接口110。

在一个实施例中，请参照图13，背板170连接具有多级隔离的互连模块160，具有多级隔离的互连模块160连接Mac电路及附属网络处理电路150，Mac电路及附属网络处理电路150连接附属电路141，附属电路141连接具有多级隔离的互连电路了140，具有多级隔离的互连电路140连接物理层130，物理层130连接附属电路121，附属电路121连接多级隔离电路120，多级隔离电路120连接物理接口110。

在一个实施例中，请参照图14，在PoE系统中，背板170连接具有多级隔离的互连模块160，具有多级隔离的互连模块160连接Mac电路与其它网络处理电路150，Mac电路与其它网络处理电路150连接具有多级隔离的互连模块140，具有多级隔离的互连模块140连接物理层电路130，物理层电路130连接多级隔离电路120，多级隔离电路120连接自耦变压器1410，自耦变压器1410连接物理接口110与PoE控制器，PoE控制器通过独立直流-直流变换器1430连接电源1440。

在一个实施例中，每个隔离元件进行相互组合能够实现所需的整体隔离要求。

在一个实施例中，在直流隔离的例子中，直流电压差可以是低于隔离电路的击穿电压的适当数值。可以连接于高速互连装置和多级隔离使网络设备中，使得传输速率达到10Gb/s以上，消除在PCB的电气连接中不必要的传输损耗。

在一个实施例中，本发明的高速多级隔离互连可以实现一个合适的高速串行连接，采用电跳线取代位于多级隔离电路两侧的导线结构有利于降低传输损耗。在已使用同轴电缆线的系统，可以使用双绞线进一步实现成本降低。

在一个实施例中，包括一个或多个电容器、光电隔离器件、磁耦合器件、半导体器件、各种分离技术及其组合，有利于降低成本，便于在PHY电路，MAC电路进行连接，从而减少PCB板的尺寸，提高以太网设备的传输速率。

在一个实施例中，本发明在网络设备(例如交换机、路由器、计算机等)中使用，使设计和制造具有灵活性，所述的隔离结构简化了元件选择标准，降低了系统成本。此外，使用高速互连与多级分离的结构配置多个隔离电路可实现更高的速度和更多的功率网络接口。

在一个实施例中，网络电路的隔离电路之间可以采用不同的电源供电。提供第一级隔离电路连接一个物理接口的方案，位于下行网络电路和上行网络电路之间的第二级隔离电路，与一个位于上行网络电路和背板之间的第三级隔离电路进行连接的方案，实现低成本与高速，可广泛应用于小型网络接口电脑、路由器或交换机。

此外，在一些示例实施例中，可以通过使用相同的隔离电源来与下行网络电路进行连接。如以太网的高速网络的多级隔离电路可以包括多个隔离和互连电路，采用不同的组合，例如高速隔离和互连电路、低速隔离和互连电路、和/或用于控制信号的隔离电路进行连接。从各方面为减少成本和/或优化设计，实现减少多级隔离电路的大小的发明目的。

本发明的实施例实现了以下有益技术效果：

在现有中低速(小于1G/s)以太网络开关设备中，采用的是一整块PCB设计，即所有器件和电路都设计安装在一整块面积较大，电路板层数高达十多层，制造工艺复杂，材料要求较高的PCB板上。随着通讯速度的不断提高，当网络速度大于2.5G/s甚至更高时：

PCB板本身是个问题，由于信息速度越来越快，PCB板的插损已经不能达到系统的需求，所以需要技术革新来降低PCB插损的影响。

在技术上，在前端电路中，数字和模拟电路对PCB板的要求是不同的，数字电路对PCB板的层次，供电等需要与前端的模拟电路不同，所以需要分开，按各自需求设计。例如前端PCB板根据模拟电路的需求可以使用4层PCB板材就能满足需求。

根据数据通信趋势，对速度的要求越来越高。针对PCB板对高速传输速度低的问题，将中距离，远距离的传输系统来用铜线电缆取代PCB板会提高工作性能并降低成本。不仅是分开PCB板，更是缩小PCB板，根据功能的不同局限化。通过局限化分开不同的功能，在它们之间用高速的铜线电缆。由于铜线电缆的高传输速率，只需要几根电缆来取代PCB板作为中间的互联，避免了PCB板带来的高价格，低传输性能。

在采用多级隔离电路技术后，原本需要考虑的如何安排隔离电路的问题，因为可以将其转移至更低成本且易于集成制造的高速铜线电缆部分，使得分开后的各部分PCB不但面积缩小，传输速度提高，前端PCB更是层数减少70％以上，极大降低制造成本。

不同于现有的一整块PCB设计，本发明采用分开式PCB设计，其中包括：多层的用于后端高速网络信号处理的PCB板，前端的只有4层的材质较为便宜的模拟电路PCB板，以及用于供电的电源电路PCB板。每个PCB之间采用铜线电缆线连接，非常低成本的且灵活的解决了高速连接损耗，和电源高功率供电的问题。而这几个问题在现有整块PCB的设计方案中是无法解决的。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，具有高速互连多级隔离器件或电路，所述器件或电路设置于一个高速通信网络设备中。

2.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：Mac电路及附属网络处理电路PCB连接第二多级隔离电路，第二多级隔离电路连接物理层电路PCB。

3.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：背板PCB，连接第三多级隔离电路，第三多级隔离电路连接Mac电路及附属网络处理电路PCB，Mac电路及附属网络处理电路PCB连接第二多级隔离电路，第二多级隔离电路连接物理层电路PCB。

4.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：背板PCB，连接具有多级隔离的互连电缆与连接器，具有多级隔离的互连电缆与连接器连接Mac电路及附属网络处理电路PCB，Mac电路及附属网络处理电路PCB连接具有多级隔离的带连接器的跳线，具有多级隔离的带连接器的跳线连接物理层电路PCB。

5.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：第二接口单元，连接于第一连接器，第一连接器连接具有多级隔离的跳线，具有多级隔离的跳线连接第二连接器，第二连接器连接第一接口单元。

6.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：第二接口单元，连接于第一连接器，第一连接器连接具有多重隔离的跳线，跳线连接第二连接器，第二连接器连接第一接口单元。

7.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：第二接口，连接第一多级隔离电路，第一多级隔离电路连接第一连接器，第一连接器连接跳线，跳线连接第二连接器，第二连接器连接第二多级隔离电路，第二多级隔离电路连接第一接口。

8.根据权利要求1所述的具有多级电隔离的高速网络器件，其特征在于，系统设置于至少两个PCB上，包括：附属网络处理电路及外围电路通过PCB布线连接第一连接器，第二连接器通过第一多级隔离电路与互连电缆连接，互连电缆通过第二多级隔离电路与第三连接器连接，第四连接器通过PCB布线与物理层电路连接。

9.根据权利要求1所属的具有多级隔离的高速网络器件，其特征在于，高速互联模块中的互联电缆可以是同轴电缆线或者双绞线等。

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