JP2014523556A - Usb2.0高速モードを有するusbアイソレータ集積回路および自動速度検出 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)医療機器に接続されるメイン(患者の安全用)
(ii)装置が接続されたメイン間のループをまたぐ通信リンク(グランドループを回避するため)
(iii)データネットワークメイン(メインの電力アイソレーション)
(iv)正確なオーディオ検出およびデータ取得(ノイズ検出の抑制)
(v)工業的検出および制御(さまざまな電力ドメインのアイソレーション用)
(vi)自動車の回路(高電圧電気スパイクからの保護用)
などが上げられる。
(i)カップリングコンポーネント105をまたいでデータを送信、受信および送受信するアイソレーショントランスミッタ112、レシーバ114、およびトランシーバ116、
(ii)USBアイソレータの上流側および下流側の間でデータ送信の方向を制御するファストマルチプレクサおよびドライブイネーブル信号ジェネレータ(FMUX)118、
(iii)対応する電力ドメイン上ですべての回路の状態を制御し、かつ、他の電力ドメイン上の回路と状態を同期させるデジタルロジックブロック120、
(iv)USBインターフェースの状態を示し、USBデータケーブル上でデータを送受信するのに必要なすべての回路、(例えば、LS/FSおよびHSトランスミッタ/ラインドライバ124、126、LS/FS/HSレシーバ128、振幅検出器130を含む)を有するUSBライントランシーバ
を有する。
(i)連続的にイネーブルとされ、USBバス電圧から必要な回路供給電圧を生成する、線形レギュレータ、他に、必要な回路供給電圧が外部から供給されれば、当該レギュレータはイネーブルのままであるが、外部電圧には影響しない。
(ii)USBバスのさまざまな状態を検出するのに必要な、および、正しい信号状態でUSBバスを駆動するために必要な正確な電圧および電流を生成する電圧および電流ジェネレータ回路。高速モードがサポートされる必要がある場合には付加的なオフチップ高精度レジスタが使用され、それにより、駆動電流および電圧をより正確に定義することができる。当該レジスタは低速および全速モードを要求するアプリケーションに対して省略してもよい。
(iii)デジタルロジックブロック120をクロックするためのオシレータ132
を有する。
USB2.0の低速および全速モードのサポートは、比較的単純であり、有意なデジタルロジック制御を必要としない。しかし、アイソレーションバリアをまたぐUSB2.0高速プロトコルは、アイソレーションチャネル134およびUSBドライバおよびレシーバ124、126、128の動作を制御するための付加的なインテリジェンスを必要とする。これは、アイソレータの上流部102および下流部104のそれぞれにおいて、デジタルロジックブロック120の形式で設けられる。デジタルロジックブロック120は、ステートマシンを含み、上流部102および下流部104側に設けられたアイソレータの状態を同期させる。
・下流装置切断
・LSアイドル
・LSTX DSからUS
・LSTX USからDS
・LS中断
・LSウエイクアップ
・LSリセット
・FSアイドル
・FSTX DSからUS
・FSTX USからDS
・FS中断
・FSウエイクアップ
・FSリセット
・FSチャープ
・HSアイドル
・HSTX DSからUS
・HSTX USからDS
・HS中断
・HSウエイクアップ
・HSリセット
しかし、他の状態および/または状態の組み合わせが使用されても良い。
アイドル状態から送信状態への遷移は速く、かつ、アイソレータは任意のパルス幅を歪ませてはならない。デジタルロジックブロック120はゆっくりクロックされるため、デジタルロジックブロック120はアイソレーションチャネル134(データ/SE0)と一致して配列されない。しかし、転送が検出された場合、アイソレーションチャネル134(データ)に対してドライブ制御を可能にするための、および、データがアイソレータチップの他方側から受信されたとき、USBバストランスミッタ124、126をイネーブルにするためのメカニズムが必要となる。これらの信号は、“グリッチ”およびパルス幅ひずみを避けるために、データに対して近似してアライメントされる必要がある。
図1に示す実施形態は双方向デジタルアイソレータ105を使用して、必要なチップ面積を減少させる。図12に示すような実施形態において、単方向デジタルアイソレータ(容量性であってもなくてもよい)1202はアイソレーションバリア106をまたいですべての信号を伝送するのに使用される。この構成は、よりひろいチップ面積を消費するが、2つの点でデザインを単純化する。(i)FNUX180ブロックはアイソレータ側にドライブイネーブル信号を与える必要がないこと、および(ii)以下に説明され、かつ図10に示すアイソレータリフレッシュ回路が潜在的に除去可能であることである。
(i)非容量性アイソレーションエレメント、例えば、誘導結合またはジャイアント・マグネトロレジスタンス・レイシオ(GMR)エレメントを使用し、
(ii)エラーを訂正しまたはDC情報を転送するためのアイソレーションバリア106をまたいで冗長または付加的な信号を使用すること(例えば、アイソレーションチャネルあたり2対のコンデンサを使用し、そのうち一対は高速データ信号を運び、もう一対はデータによって変調されるクロック信号を運ぶ)
(iii)ダイ面積を減少させるべく状態同期信号136に対して、トランスミッタ112およびレシーバ114を結合して双方向トランシーバとする、
(iv)エラーおよびグリッチを検出または訂正するべくデータまたは制御信号のコンテンツを、アイソレーションバリア108をまたいで符号化する(例えば、デジタル通信分野で使用されるパリティビット、プリアンブルシーケンス、CRCチェック、またはハンドシェイキングプロシージャの使用)
ことを有する。
図2は、パケットの始まりにおける全速モードでのさまざまな信号のタイミングチャートである。低速モードおよび全速モードにおいて、FMUX118の観点で、D+が記号JまたはKに対してhighであるか否かが示されている。これらの2つの低速モードにおいて、USBラインレシーバ128からFMUX118がD信号のエッジを検出するとただちに、パケットの始まりを指示し、FMUX118はアイソレーションチャネルドライブイネーブル142をアサートし、受信したUSBデータはアイソレータデータDチャネル134をまたいで送信される。
図3は、パケットの終わりにおける、全速モードでのさまざまな信号を示すタイミングチャートである。アイソレーションチャネルドライブイネーブル信号142はUSBレシーバ128によりSE0が生成された後にリリースされ、続いて、J(パケットの低速/全速エンド)へリターンされる。アイソレーションバリア106をまたぐカップリングが容量結合コンポーネントにより与えられる実施形態において、リリース前に正しいレベルにアイソレーションチャネル134がチャージされるように、1ビット時間のオーダの短い遅延がアイソレータドライブイネーブル142をリリースする前に導入される。
図4は、パケットの始まりにおける高速モードでのさまざまな信号のタイミングチャートを示す。FMUX118高速モード入力(図示せず)がアサートされたとき、USBバス144のUSBアイドル状態からの離脱はD+/D−ライン144のエッジにより示される。これはひとつの振幅検出器130、例えば、スケルチ検出器によって検出される。USBライン144の入力差分振幅が所定の閾値を超えたとき、その出力146はlowとなる。USBバス144からデータを受信する側のFMUX118は、対応するアイソレーションチャネルドライブイネーブル142をアサートし、アイソレーションバリアデータ(D)をまたいで受信したデータを送信する。
図5は、パケットの終わりにおける高速モードでのさまざまな信号のタイミングチャートを示す。USBバス144がアイドル状態に戻るとき、スケルチ検出器出力146がリアサートされる。その後、FMUX118はアイソレーションチャネルドライブイネーブル142をリリースする。アイソレーションバリア106をまたいだ結合が容量結合により与えられる実施形態において、リリース前にアイソレーションチャネル134が正しいレベルにチャージされることを保証するために、約1ビット時間の短時間遅延がアイソレータドライブイネーブル142をリリースする前に導入される。
ここに記載するアイソレータによれば、高速を含む3つのUSB2.0速度プロトコルの各々の自動検出が可能となる。
USBデバイス切断は、高速および全速/低速モードに対して、異なって取り扱われる。図8は、高速切断の例を示す。この例では、DSUSBポート144送信中に切断が検出されている。固定電流をD+/D−ライン144にドライブしており、その結果、下流側のUSB装置が切断されたとき、つまり、グランドに接続された45Ωのレジスタが除去され、下流データライン144のスイングが重複している。これが、振幅検出器ブロック130の切断振幅検出器によって検出され、切断信号152がアサートされる。この信号は下流側のFMUXにより受信され、デジタル制御ブロック120および対応する状態同期アイソレーションチャネル136を通じてアイソレータの上流部102に状態を通信する。その後、上流側は45Ωのレジスタをグランド(SE0)にドライブし、上流側に接続したUSB装置へUSBデバイスの状態をミミックする。この上流側のUSB装置は、USB2.0標準で特定されるスタート・オブ・フレーム・エンド・オブ・パケット中に、切断状態を検出する。
上流側のUSB装置が切断され、かつ、アイソレータがUSB2.0仕様で特定されるような通常のアイドル(または高速モードでのリセット)より長い間に上流側のバス144でアクティビティを感知しない場合、アイソレータはHighにプルアップされている上流側ライン144の一つにより再接続が示されるまで、中断モードとなる。
ここで説明するアイソレータは、アイソレーションバリア106およびカップリングコンポーネント105をまたぐ電位差に耐えるように、また、電力サージまたは遷移に対する耐性を与えるように、設計される。しかし、十分に大きな遷移はアイソレーションチャネル上のデータに悪影響を及ぼす。しかし、アイソレータがこの遷移中にその状態を維持することができること、または少なくともそのようなメカニズムを有することが好ましい。それにより、アイソレーションチャネル134、136の状態は、定義された状態(例えば、アイドル状態、次のUSBパケットの受信待機状態)にリセットされうる。
上記した実施形態に従うUSBアイソレータは、単一経路内のすべての回路ブロックに対して標準的な低ジッタ設計技術を使用する。これらの技術は、デジタル回路用の高速エッジを使用すること、電源バウンスの量を制限すること、十分なオンチップ電源デカップリングコンデンサを使用すること、および、共通モードノイズに対する感度を減少させるべくアイソレーションバリア106をまたぐような異なる経路内でCMLロジックを使用することを含む。しかし、USB2.0高速モードにおいて、接続されたUSB装置からの任意のランダムまたは決まったジッタは、USBアイソレータチップそれ自身により付加され、それは所望のジッタ仕様と一致しない結果をもたらす。この環境において、正確な時間ベースは再転送時のデータを再同期化するのに使用され、受信したビットを正しく回復するのに使用される。低速および全速シグナリングはジッタ仕様が緩やかであるためこれらの回路を必要としない。
いくつかの実施形態はUSBオン・ザ・ゴー(On−The−Go)およびUSB2.0標準のエンベッデッド・ホスト(Embedded Host)補助を実装する。下流および上流USB装置の性質は異なってもよく、シグナリングは本質的に同じであり、ここで説明する方法でアイソレートされうる。
Claims (16)
- USBアイソレータ集積回路であって、
前記集積回路の上流部と下流部との間に配置され、ガルバニックアイソレーションをそれらの間に提供するアイソレーションバリアと、
前記集積回路の前記上流部と、上流側のUSB装置との間で、USB2.0に準拠する信号を送受信するよう構成された第1のUSB2.0インターフェースと、
前記集積回路の前記下流部と、下流側のUSB装置との間で、前記USB2.0に準拠する信号を送受信するよう構成された第2のUSB2.0インターフェースと、
前記集積回路の前記上流部と前記下流部との間で通信を可能にするように構成された複数の信号カップリングコンポーネントであり、前記ガルバニックアイソレーションを維持しつつUSB2.0プロトコルを使って前記上流側のUSB装置と前記下流側のUSB装置が互いに通信可能となるように構成された複数の信号カップリングコンポーネントと、
を備え、
前記集積回路の前記上流部および前記下流部は、前記上流側のUSB装置または前記下流側のUSB装置のそれぞれのUSB2.0速度を自動的に検出するように構成されたモジュールを有し、当該モジュールは、前記検出に応答して、前記上流側USB装置または前記下流側USB装置の間で通信する複数のUSB2.0速度モードの対応するひとつに前記集積回路を自動的に置き、前記複数のUSB2.0速度モードは、USB低速モード、USB全速モード、USB2.0高速モードを含む、ことを特徴とするUSBアイソレータ集積回路。 - 前記モジュールは、前記集積回路の前記上流部および前記下流部にそれぞれ配置されたステートマシンを有し、前記ステートマシンは前記集積回路のそれぞれの状態を表す状態情報を格納し、かつ、前記状態情報をそれらの間で同期させるように構成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記ステートマシンは、さらに、前記集積回路の前記上流部および/または前記下流部の状態の一つ以上のエラーを訂正するように構成されている、ことを特徴とする請求項2に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- ひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントを通じて、前記上流側のUSB装置および前記下流側のUSB装置の間でUSBデータが通信され、前記ステートマシンは、ひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントを通じてそれらの間で前記状態情報を通信することを特徴とする請求項2に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記集積回路の前記上流部と前記下流部との間で前記状態情報を通信するひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントは、前記USBデータが通信されるひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントと一致していない、ことを特徴とする請求項4に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記状態情報を通信するひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントは、前記USBデータが通信されるひとつ以上の前記信号カップリングコンポーネントに対して、独立にかつゆっくりとクロックされる、ことを特徴とする請求項4に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記集積回路の前記上流部と前記下流部のいずれかが、PLLのリファレンスとして機能する水晶オシレータからの入力を有し、その出力は、前記集積回路の対応部分のUSBバスに再転送する前にUSB高速シグナリングを再同期するのに使用される、ことを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記集積回路の前記上流部および前記下流部の各々は、対応する水晶オシレータから対応する入力を有し、該入力は対応するPLLのリファレンスとして機能し、その出力は、前記集積回路の対応部分の対応するUSBバスに再転送する前にUSB高速シグナリングを再同期するのに使用される、ことを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記信号カップリングコンポーネントは、前記集積回路の前記上流部および前記下流部の間に容量結合を与える容量性アイソレータである、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記容量性アイソレータはコンデンサ、および、前記コンデンサの電荷をリフレッシュするように構成されたコンデンサ充電コンポーネントを有する、ことを特徴とする請求項9に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記集積回路の前記上流部および前記下流部は単一の電気的に絶縁されたダイの上に互いに離隔されて配置され、前記集積回路は前記ダイの上に少なくともひとつのカップリング領域を有し、他の相互にアイソレートされた集積回路部の間に容量結合が与えられ、前記集積回路部は前記ダイ上の積層体によって形成されており、前記積層体は金属層、絶縁体層および少なくともひとつの半導体層を含み、
前記絶縁体層の少なくともひとつは、前記集積回路部から前記カップリング領域をまたいで伸長し、前記金属層の対応するひとつおよび/または前記少なくともひとつの半導体層は前記集積回路部の各々および前記カップリング領域へ伸長してひとつ以上のコンデンサを形成し、それによりガルバニックアイソレーションされた前記集積回路部の間に容量性結合が与えられる、ことを特徴とする請求項9または10に記載のUSBアイソレータ集積回路。 - 前記集積回路の前記上流部および前記下流部の各々は、高速USB2.0シグナリング用の電流を定義する対応する高精度レジスタに接続する対応する入力を有する、ことを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記第1のUSB2.0インターフェースは、前記集積回路の前記上流部と任意の上流側のUSB装置との間でUSB2.0に準拠する信号を送受信するように構成され、前記任意の上流側のUSB装置は、標準USBホスト、USBエンベッデド・ホスト、USBオン・ザ・ゴーデバイス、およびUSBハブを含み、
前記第2のUSB2.0インターフェースは、前記集積回路の前記下流部と任意の下流側のUSB装置との間でUSB2.0に準拠する信号を送受信するように構成され、前記任意の下流側のUSB装置は、標準USBホスト、USBエンベッデド・ホスト、USBオン・ザ・ゴーデバイス、およびUSBハブを含む、ことを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。 - 前記モジュールは、前記上流側のUSB装置および前記下流側のUSB装置の一方側から、前記上流側のUSB装置および前記下流側のUSB装置の他方側へ、USB信号、デバイスの接続、および、デバイスの切断を伝搬させるように構成され、その結果、前記USBアイソレータ集積回路は時間遅延をのぞき、前記上流側のUSB装置および前記下流側のUSB装置に対してトランスペアレントである、ことを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記信号カップリングコンポーネントの少なくともいくつかは、双方向信号カップリングコンポーネントであり、前記集積回路の前記上流部および前記下流部との間で両方向通信することが可能であるように構成されている、ことを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
- 前記信号カップリングコンポーネントは、前記集積回路の前記上流部から前記下流部へのみ通信を許可するように構成された第1の単方向信号カップリングコンポーネントを有し、前記集積回路の前記下流部から前記上流部へのみ通信を許可するように構成された第2の単方向信号カップリングコンポーネントを有する、ことを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載のUSBアイソレータ集積回路。
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