JP2024515998A - 高速能力を有する絶縁されたユニバーサルシリアルバスリピータ - Google Patents

高速能力を有する絶縁されたユニバーサルシリアルバスリピータ Download PDF

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Abstract

ユニバーサルシリアルバス(USB)通信のための絶縁リピータ(300)及び対応する方法。絶縁リピータは、ガルバニック絶縁障壁(315)の両側に、一対の外部端子(UDP、UDM;DDP、DDM)に結合されるフロントエンド回路要素(350、360)、1つ又は複数のFS絶縁チャネル(DP_LR、DM_LR、DP_RL、DM_RL)を介して信号を駆動及び受信するよう適合されるフルスピード(FS)送受信機(310、340)、1つのHS絶縁チャネル(DHS_LR、DHS_RL)を介し信号を駆動し、別のHS絶縁チャネルを介して信号を受信するよう適合される高速(HS)送受信機を含む。フロントエンド回路要素は、HSデータに対応する受信信号を1つのHS絶縁チャネルを介する送信のための2状態信号に符号化し、HSシグナリングに対応する受信信号を1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介する送信のための2状態信号に符号化する。絶縁障壁の他方の側のフロントエンド回路要素は、外部端子における送信のため、1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して受信した2状態信号とHS絶縁チャネルを介して受信した2状態信号を復号する。

Description

本記載は、シリアルデータ通信に関し、より詳細には、シリアルデータ通信におけるガルバニック絶縁送受信機に関する。
モデム電子デバイスや周辺機器の間のユニバーサルシリアルバス(USB)通信の技術は、近年、一般的になってきた。この技術の基礎として、ケーブル及びコネクター、並びにこれらのケーブル及びコネクターを介するインターフェースプロトコルについての業界標準仕様に従って、USB通信が行われる。これらのプロトコルは、コンピュータ(スマートフォンヘッドセットを含む)、周辺機器、及びこれらのコンピュータに接続するその他のデバイス間の接続、通信、及び電源のインターフェース処理を制御する。USB接続は近年、様々なデバイスに広く採用されており、消費者や企業レベルのデバイスについての他の相互接続技術に大きく取って代わっている。
USB通信技術の1つの魅力的な属性は、その使いやすさ、特に柔軟性であり、それにより、特にハブやバススプリッタを介して、USB周辺機器をホスト又はその他のデバイスに相互接続することができる。USBネットワークは本質的に自己構築されるので、ユーザはデバイスの設定、割り込み、I/Oアドレスなどを構築することなく、単にアドホックUSBネットワークにデバイスを差し込んだり取り外したりし得る。製造元の立場から、USBを用いることにより、システム設計者が後から開発される周辺デバイスに対する独自のインターフェースを開発したり、「レガシー」互換性を維持するためにインターフェースハードウェア及びソフトウェアを実装したりする必要がなくなる。
しかし、応用例によっては、特に比較的高いレベルの電力を消費するデバイス間では、USBインターフェース処理が複雑になる。幾つかの状況において、USB経由で接続するデバイスのシステム接地レベルが異なる電圧であったり、USB接続されるデバイスのうちの1つのデバイスの電力消費が大きなコモンモード過渡現象を引き起こしたりすることがある。このような状況において、接続デバイス間のUSBインターフェースにおいて、ガルバニック絶縁が望ましい。そのため、絶縁された電源を有するUSB送受信機が導入されてきた。このような送受信機はUSB「リピータ」とも呼ばれる。これらのデバイスは、バススプリッタやハブなどの、絶縁障壁を含むUSBインターフェースを提供し、この絶縁障壁を横切って適用可能なUSB規格に従ってリピータ送受信機が通信を行う。
さらなる背景として、USB規格は、幾つかのデータレートにおける通信を提供し、各データレートクラスは、物理層におけるプロトコルによって定義されている。まずUSBバージョン1.0では、12Mbpsの「フルスピード」(FS)USBデータレート、及び1.5Mbpsの「低速」(LS)データレートが定義されている。それより後のUSB規格のバージョンは、480Mbpsの「高速」(HS)データレートを定義している。FS通信及びLS通信のための物理層の動作仕様及びプロトコルは極めて類似しているが、HSデータレートのための物理層の動作仕様及びプロトコルは、FS/LS通信のためのものとは大きく異なる。
一態様に従って、ユニバーサルシリアルバス(USB)通信のための絶縁リピータ及び対応する方法が提供される。絶縁リピータは、ガルバニック絶縁障壁の両側に、一対の外部端子に結合されるフロントエンド回路要素と、1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して信号を駆動及び受信するように適合されるフルスピード(FS)送受信機と、1つのHS絶縁チャネルを介して信号を駆動し、別の絶縁チャネルを介して信号を受信するように適合される、高速(HS)送受信機とを含む。フロントエンド回路要素は、HSデータに対応する受信信号を、1つのHS絶縁チャネルを介する送信のための2状態信号に符号化し、FSシグナリングに対応する受信信号を、FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介する送信のための2状態信号に符号化する。絶縁障壁の他方の側のフロントエンド回路要素は、その外部端子において送信するために、1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して受信した2状態信号と、HS絶縁チャネルを介して受信した2状態信号とを復号する。
これらの態様の1つ又は複数によって可能となる技術的な利点は、例えばフルスピード(FS)及び低速(LS)動作モードとともに高速(HS)動作モードを含む、複数の動作モードを効率的にサポートするためのUSBネットワークにおける絶縁リピータの構築及び動作を含む。HSデータの通信のための専用のHS絶縁チャネルを用い、HS動作モードにおける或るシグナリングに対して1つ又は複数のFS/LS絶縁チャネルを用いることによって、これらの実装において絶縁リピータの構築が効率化され得る。絶縁リピータにおけるガルバニック絶縁障壁を横切る絶縁チャネル数を減らすことで、デバイスコスト及び電力消費が削減され、HS絶縁チャネル及び送受信機を低ジッタ性能に設計し得る一方で、FS絶縁チャネル及び送受信機を低電力消費に設計し得る。
記載された態様により可能となるその他の技術的利点は、図面とともに下記の明細書を参照することにより、当業者には明らかとなろう。
1つ又は複数の実施例が実装され得る絶縁リピータを含むUSBネットワークのブロック形式の電気図である。
USB通信のためのFS動作モードにおけるデータ及びエンド・オブ・パケット指示子の従来の送信を図示するタイミング図である。
USB通信のためのHS動作モードにおけるスタート・オブ・パケット、データ、及びエンド・オブ・パケット指示子の従来の送信を図示するタイミング図である。
USB通信においてHS動作モードを確立する従来のハンドシェーク動作を図示するタイミング図である。
一実施例に従った絶縁リピータのブロック図及び概略図の形式の電気図である。
一実施例に従った図3の絶縁リピータの動作の一例を図示するフローチャートである。
一実施例に従った図3の絶縁リピータにおけるFS動作モードにおけるデータ及びエンド・オブ・パケット指示子の送信の一例を図示するタイミング図である。
一実施例に従った図3の絶縁リピータにおけるHS動作モードにおけるスタート・オブ・パケット指示子及びデータの送信の一例を図示するタイミング図である。
一実施例に従った図3の絶縁リピータにおけるHS動作モードにおけるデータ及びエンド・オブ・パケット指示子の送信の一例を図示するタイミング図である。
図面において、同じ又は類似の(機能的及び/又は構造的)特徴を指定するために同じ参照番号又は他の参照識別子を用いる。
本明細書において説明する1つ又は複数の実施例は、絶縁障壁を横切る高速(HS)、フルスピード(FS)、及び低速(LS)通信をサポートするUSBリピータに実装されている。これは、このような実装がこの文脈において特に有利であると考えられるためである。ただし、これらの実施例の態様がその他の応用例に有益に適用され得ることも企図される。従って、下記の説明は単なる例示であり、特許請求の範囲を限定するものではない。
図1は、本明細書に従ったUSBネットワークにおける絶縁USBリピータ100の機能を図示するハイレベルブロック図である。この最小限のシステムにおいて、ホストデバイス102及び周辺デバイス104が、絶縁USBリピータ100を介してUSB通信を行う。リピータ100は、「絶縁器」又は「絶縁リピータ」と呼ばれることもあり、このような用語は、本明細書の目的に対して交換可能である。USB規格に従って、1本のUSBケーブルの差動線D1+、D1-が、ホストデバイス102をリピータ100に接続し、別のUSBケーブルの差動線D2+、D2-が、リピータ100を周辺デバイス104に接続する。ただし、この例において、ホストデバイス102は、周辺デバイス104の、それぞれ、電源電圧VBUS2及び接地GND2とは異なる電源電圧VBUS1及び接地GND1から給電される。そのため、ホストデバイス102と周辺デバイス104の間のインターフェースは、これら2つのデバイス間にガルバニック絶縁を提供して大きな電圧差を阻止し、接地ループを防止し、異なる接地電位間のコモンモード過渡現象を阻止することが求められる。
USB絶縁リピータ100は、このガルバニック絶縁を提供する。図1に示すように、絶縁器100は2つの送受信機106、108を含み、送受信機106は差動線D1+、D1-に結合され、送受信機108は差動線D2+、D2-に結合される。この例において、送受信機106は、ホストデバイス102とともに、電源電圧VBUS1及び接地GND1によってバイアスされ、一方、送受信機108は、周辺デバイス104の電源電圧VBUS2及び接地GND2によってバイアスされる。送受信機106は、送信機105及び受信機107を含み、送受信機108は、受信機109及び送信機111を含む。送受信機106の送信機105は、結合インダクタ対(例えば、変圧器)110を介して送受信機108の受信機109に(下り)信号を送信し、一方、送受信機108の送信機111は、結合インダクタ対112を介して送受信機106の受信機107に(上り)信号を送信する。送受信機106と108間の信号の(結合インダクタ対110、112による)この誘導結合は、ガルバニック絶縁障壁115を確立して、ホストデバイス102と周辺デバイス104との間に所望のガルバニック絶縁を提供する。
上述したように、有効な規格(例えば、USBバージョン2.0以降)に従ったUSB通信は、12Mbpsの「フルスピード」(FS)データレート、1.5Mbpsの「低速」(LS)データレート、480Mbpsの「高速」(HS)データレートを含む、様々なデータレートにおける通信を可能にする。有効なUSB規格に従って、FS、LS、及びHS動作モードの各々において、データ送信と制御シグナリングの両方が一対の差動信号線(例えば、図1のD1+、D1-)上で成される。差動信号線上のデータ送信は、差動「1」レベル及び差動「0」レベルとして通信される。例えば、FS及びLS動作モードにおいて、ホストデバイス102によって駆動される差動「1」が、2.8Vを超える駆動信号線D1+及び0.3V未満の信号線D1-によって示され、差動「0」が、2.8Vよりも大きい駆動信号線D1-及び0.3V未満の信号線D1+によって示される。省略形として、差動「1」レベルを「J」状態と称し、差動「0」レベルを「K」状態と称する。HS動作モードにおいて、差動「1」(J)が、信号線D1-に対する信号線D1+の差動電圧が約+400mVより大きいことによって示され、差動「0」が、この差動電圧が約-400mVより小さい(より負である)ことによって示される。
制御シグナリングには、デバイスの切断、アイドル、動作モード(例えば、FS又はLS)などの動作状態の通信が含まれる。これらの様々な状態を検出するために、ハブ及び絶縁器を含むUSBデバイスのインターフェースにプルアップ抵抗及びプルダウン抵抗が設けられる。一対の差動信号線上のUSBにおける制御シグナリングは、例えば、リセット、スタート・オブ・パケット(SOP)、エンド・オブ・パケット(EOP)などの事象も示す。図2Aは、FS動作モードにおけるこのような制御シグナリングの一例、すなわち、データビットのパケットの送信に続くエンド・オブ・パケット(EOP)のシグナリングのための例を図示する。図2Aにおいて、D+及びD-差動線(例えば、図1のD1+及びD1-)のレベルは、パケットの最後の数データビットに従ったFSデータレートで遷移する。パケットの最終ビット(図2AのビットLB)に続く時間t1において、送信デバイスがD+線及びD-線の両方をローレベルにプルすることにより、エンド・オブ・パケットが示される。D+及びD-がいずれも低レベルである状態を、一般に「シングルエンドゼロ」又は「SE0」条件と称する。USB規格に従って、エンド・オブ・パケットが、2ビット期間にわたるSE0によって示され、その後、時間t2において送信デバイスが1ビット期間の間J状態(すなわち、D-がハイでD+がロー)を駆動する。時間t3においてJビットが完了すると、送信デバイスはD+線、D-線をフロートさせることができ、それにより、アイドル状態に入る。LS動作モードにおけるシグナリングは、FS動作モードにおけるシグナリングと同様である。
図2Bは、USB規格のHS動作モードに従った制御シグナリングの一例を図示する。図2Bの例において、スタート・オブ・パケット(SOP)は、送信デバイスがアイドル状態に続いて(HSデータレートが高い)K-J状態対のシーケンスを駆動することによって示され、アイドル状態は、HSモードにおいて、両データ線D+、D-が低レベル(‐0差動)であるSE0状態によって示される。K-Jビット対のシーケンスは同期パターンに相当し、続いて、データビットが送信され得る。エンド・オブ・パケット(EOP)は、HSモードにおいて、パケットの最終データビットのデータ状態とは逆のデータ状態の拡張された送信によって示される。図2Bに示すように、K又はJ状態における最終データパケットビットは、それぞれ、EOPがJ又はK状態における8ビットシーケンスによって示されることを意味する(例えば、EOPは、Kにおける最終データビットに続くJの8ビット持続時間によって示される)。単一の逆の状態におけるこの8ビットシーケンスは、USB規格に従ったビットスタッフィング(bit-stuffing)誤差であり、そのため、8ビットのデータとしてではなく、EOP指示子として機能し得る。EOP指示に続いて、送信デバイスは再びアイドル状態に入り得る。
図2A及び図2Bに例として示すように、様々なUSB動作モードにおける差動線対を介するデータビット及び制御シグナリングの通信は、2つの差動状態J及びKだけでなく、SE0の第3の状態(両線ともローに駆動される)の送信に関与する。そのため、これら3つの状態を通信するために、2本の信号線(例えば、差動シグナリング)が必要とされる。しかし、図1のUSB絶縁器100によって提供されるガルバニック絶縁は、所与の導体に対する双方向通信を禁止する。そうではなく、上述したように、ガルバニック障壁115を横切る通信は、上り通信と下り通信のための、この場合は個別の結合インダクタ対110、112を介する、個別の信号経路に関与する。従って実際には、絶縁障壁115を横切ってJ、K、及びSE0の3つの状態を通信するために、各方向に2つずつ、ガルバニック絶縁障壁115を横切る4つの絶縁「チャネル」が必要とされる。
上述したように、USBデータ伝送及びシグナリングプロトコルは、FS及びLS動作モードについて極めて類似している。従って、従来のリピータ及び絶縁器は、同じ4つの絶縁チャネルを介するFS及びLS動作モード両方をサポートし得る。しかし、HS動作モードにおけるデータ送信及びシグナリングプロトコルは、FS動作モード及びLS動作モードにおけるものと大きく異なる。FS及びLSモード(例えば、公称3.3V)に対してHSモード(例えば、公称400mV)についての差動論理レベルが異なるので、HSモードとFS/LSモードのための異なる終端(例えば、対応するバイアスレベルにおけるプルアップ及びプルダウン抵抗)が必要になる。そして、図2A及び図2Bから明らかなように、FS/LSに対するHSモードについてのシグナリングプロトコルの違いも存在する。例えば、HS動作モードにおけるSE0状態がアイドル条件であるのに対し、FS/LSにおいてEOPがSE0状態によって示されるなどである。
また、USB接続に対してHS動作モードへのエントリは、FS動作モード(すなわち、より遅いデータレート及びより高い差動論理レベル)において実施される「ハンドシェーク」シーケンスとして行われる。図2Cは、USB通信のためのHS動作モードがホストデバイスと接続デバイスとの間で開始されるこの「ハンドシェーク」シーケンスの一例を図示する。この例において、図2Cに示すように、ハンドシェークシーケンスは、FSモードデバイスとして示す接続デバイスが、アイドル状態において、そのD+線を+3.3Vまでプルアップすることによって開始される。HS機能が利用可能であることは、接続デバイスが少なくとも1ミリ秒間そのD+線をプルダウンすることによってSE0条件を表し、それに続く、特定の時間(例えば、1~7ミリ秒)の間のK状態における「チャープ」によって、接続デバイスからホストに示される。これに応答して、HS動作をサポートするUSBホストは、アイドル状態のないK及びJのチャープ対の交番するシーケンスを送信し、その間、接続デバイスはその終端抵抗を切り替えてHS動作モードのより低い差動信号レベルをイネーブルする。次いで、ホストデバイスからのK-Jチャープ対が停止すると、HS動作モードへのリセットが完了し得る。
FS及びLSデータレートに加えてHS動作をサポートすることは、図1のリピータ100などの絶縁器にとって望ましいが、HSモードとFS/LSモードの間の電圧レベル、タイミング要件、及びシグナリングの違い、並びに、HS動作モードへのエントリがFSモードのより高い電圧及びより低いレートでハンドシェークエントリを介して実施される方式、の違いにより、その他の考慮事項から見てとりわけ、USB絶縁器について利用可能な動作モードとしてのHSモードの設計と実装に大きな障壁が生じることが観察されている。同じ絶縁チャネルを介するHS及びFS/LSの両方の動作をサポートする絶縁器の設計では、一方ではHSに必要な低ジッタ性能と、他方ではFS/LSの電力消費及び絶縁定格との間で難しいトレードオフが生じ、その結果、最適な性能に準ずる性能しか得られず、おそらくはHS信号経路にリタイマ機能が必要となって、デバイスコストが増加してしまう。逆に、HS動作モード専用に設計される4つの個別の絶縁チャネルを、HSモードで動作するときにオフになるFS/LS動作モード専用に設計される4つの個別の絶縁チャネルとともに実装することもできるが、各絶縁チャネルは、デバイス面積及び電力消費の点で比較的不経済である。そのため、HS及びFS/LS USB通信をサポートするために1つの絶縁器に8つの絶縁チャネルを提供することは、非常に不経済な解決策である。
図3は、1つ又は複数の実装に従った絶縁USBリピータ300を図示する。USBリピータ300は、HS動作モードにおいてFS/LS絶縁チャネルをHS絶縁チャネルと組み合わせて用いるように構築され、それにより、良好な絶縁及び高速性能を備えた複数のUSBモードの効率的な実装が可能となる。図3の実装に従って、リピータ300は、USBホストに結合するための上りUSB差動入出力(I/O)UDP、UDMと、周辺デバイス、又はUSBホストにサービス又は機能を提供するその他のUSBデバイスなどのSBデバイスに結合するための下りUSB差動入出力I/O DDP、DDMとを有する。上りI/O UDP、UDMは、USB送受信302に結合され、下りI/O UDP、UDMは、USB送受信機332に逆に結合される。実際には、上り側及び下り側のUSB送受信機302、332は、有効なUSB規格に従って様々な動作モード(LS、FS、HS)におけるホストとデバイスの接続について特定されるように、プルアップトランジスタやプルダウントランジスタなどの終端デバイスの結合及び制御が異なる。また、USBトランシーバ302は、I/O UDP、UDMにおける信号の有無を検出するように動作するスケルチ検出器312を含む。例えば、スケルチ検出器312は、差動信号の包絡線が閾値レベルより大きい振幅(例えば、>150mV)を有するか、又は、別の閾値レベルより小さい振幅(例えば、<100mV)を有するかを検出し、それに応答して制御信号を発行するように動作し得る。図3の例に示すように、スケルチ検出器312からのこれらの制御信号の1つ又は複数が、高速デジタルコア304に転送される。これらのスケルチ制御信号に応答して、リピータ300は、I/O UDP、UDMにおけるより低い差動振幅をノイズとして無視し、より高い差動振幅を信号とみなすように動作する。例えば、スケルチ検出器312からの制御信号は、高速デジタルコア304が、I/O UDP、UDMで受信される信号の通信を、閾値レベル未満(例えば「スケルチ」条件内)の差動信号包絡線に応答してHS絶縁チャネルDHS_LRを介する通信から遮断し、閾値レベルを超える(例えば「スケルチなし」条件内)差動信号包絡線に応答してHS絶縁チャネルDHS_LRを介する信号の通信を可能にするように、高速デジタルコア304による信号の送信をゲート制御するように動作し得る。リピータ300の下り側のUSB送受信機332も同様にスケルチ検出器342を含み、I/O DDP、DDMにおける差動信号の有無を同様に検出し、それに応じて高速絶縁チャネルDHS_RLを介する信号の通信をゲート制御する。
図3に示すように、リピータ300の上り側は、下記に説明する方式でHS動作モードの動作を制御するための適切なデジタル論理で構築される高速デジタルコア304を含む。高速デジタルコア304及びUSB送受信機302は、いずれもHS送信機/受信機(送受信機)308に結合される。HS送受信機308は、絶縁チャネルDHS_LRを介してシングルエンド信号をリピータ300の下り側に送信するためのドライバ回路要素と、絶縁チャネルDHS_RLを介してリピータ300の下り側からシングルエンド信号を受信及び検出するための受信器回路要素とを含む。リピータ300の上り側はさらに、FS/LS USB通信をサポートするUSBデジタルコア306を含み、下記で詳細に説明するように、HS動作モードのためのシグナリングもサポートする。USBデジタルコア306はFS/LS送受信機310に結合され、FS/LS送受信機310は、一対の絶縁チャネルDP_LR及びDM_LR(「P」及び「M」は、それぞれ、+及び-の差動線を示す)を介して差動信号を送信するためのドライバ回路要素と、リピータ300の下り側から絶縁チャネルDP_RL及びDM_RLを介して差動信号を受信し検出するための受信回路要素とを含む。
上り側と同様に、リピータ300の下り側は、USB送受信機332に加えて、それぞれ、絶縁チャネルDHS_RL及びDHS_LRを介してシングルエンド信号を送受信するためのドライバ及びレシーバ回路要素を備えるHS送信機/受信器338に結合される高速デジタルコア334を含む。このように、HS送受信機308及び338は、絶縁チャネルDHS_LR、DHS_RLを介して互いに通信している。リピータ300の下り側はさらに、FS/LS USB通信と、HS動作モードのためのシグナリングとをサポートするUSBデジタルコア336を含む。USBデジタルコア336はFS/LS送受信機340に結合され、FS/LS送受信機340は、絶縁チャネル対DP_LR及びDM_LRを介して差動信号を送信するためのドライバ回路要素と、リピータ300の下り側から絶縁チャネルDP_RL及びDM_RLを介して差動信号を受信及び検出する受信回路要素とを含む。
この実施例に従って、HS送受信機308、338は、USB HS動作モードに従った高データレート通信によく適するように構築され得、一方、FS/LS送受信機310、340は、FS/LS動作モードに従った低データレート通信に適するように構築され得る。別の言い方をすれば、HS及びFS/LSの両方の動作を扱うために必要とされる妥協なしに、或る設計上のトレードオフをその動作モードのための各送受信機の設計及び構造において行い得る。例えば、HS送受信機308、338の設計は、電力消費を犠牲にして低ジッタ性能を優先し得、一方、FS/LS送受信機310、340の設計は、より低いデータレート通信の緩和されたジッタ仕様を満たしながら電力消費の低減を優先し得、いずれの場合も良好なガルバニック絶縁定格の維持が保証される。
そのため、この実装に従って、リピータ300は、絶縁障壁315を横切って計6つの絶縁チャネルを提供する。すなわち、FS及びLS USB通信をサポートする4つの絶縁チャネルと、HS USBデータ通信専用の2つの絶縁チャネルであり、これらFS/LS絶縁チャネルの1つ又は複数を用いて、HS接続並びにHSシグナリングのハンドシェーク確立をサポートする。より具体的には、リピータ300は、FS/LS下りデータ及びHSハンドシェーク信号を通信するための順方向(下り)方向の2つのFS/LS絶縁チャネルDP_LR、DM_LRと、FS/LS下りデータ及びHSハンドシェーク信号も通信するための逆(上り)方向の2つのFS/LS絶縁チャネルDP_RL、DM_RLと、下りHSデータを通信するための順方向の1つのHS絶縁チャネルDHS_LRと、上りHSデータを通信するための逆方向の1つのHS絶縁チャネルDHS_RLとを含む。絶縁障壁315は、両者の間に直流接続がないという意味で対向する2つの側の回路要素を電気的に分離する構成要素、回路要素、又はその両方を構成する。絶縁障壁315によって確立されるこのガルバニック絶縁は、絶縁障壁のいずれの側の回路要素も個別の電源電圧を受け取り、互いに個別の接地レベルを有することと、絶縁障壁315を横切って通信されるいかなる信号もAC又はトランスデューサ結合によるものであることとを保証する。図3に示すように、絶縁障壁315は、6つの絶縁チャネルDHS_LR、DHS_RL、DP_LR、DM_LR、DP_RL、及びDM_RLの各々に対して容量的に実装され得る。図3に示すこの例において、絶縁障壁315は二重容量絶縁障壁によって実装される。絶縁障壁315は、誘導、光学、無線、圧電、巨大磁気抵抗(GMR)、又はその他の絶縁技術を含むその他の方式によって実現されてもよい。例えば、各絶縁チャネルは、結合インダクタ対を含み得る。
図3には示さないが、リピータ300の上り側と下り側の電源電圧及び接地レベルは、ガルバニック絶縁の目的で互いに分離している。例えば、送受信機302、高速デジタルコア304、及びUSBデジタルコア306、並びにHS送受信機308及びFS/LS送受信機310の上り側機能は、同じ電源ノードVBUS1及び接地ノードGND1からバイアスされ得る。送受信機332、高速デジタルコア334、USBデジタルコア336、HS送受信機338、及びFS/LS送受信機340の下り側機能は、電源ノードVBUS2及び接地ノードGND2からバイアスされ得る。電源ノードVBUS1は、絶縁障壁315によって電源ノードVBUS2から絶縁され、接地ノードGND1は、論理障壁315によって接地ノードGND2から絶縁される。或いは、様々な上り側機能は、下り側機能が有し得るように、それらの間で異なる電源電圧及び接地レベルを有し得るが、いずれの場合も、絶縁障壁315の他方の側の機能から電気的に分離して維持されるべきである。
一実装において、送受信機302、高速デジタルコア304、及びUSBデジタルコア306の上り側機能は、USB「フロントエンド」集積回路350などの同じ集積回路に実装され、一方、送受信機332、高速デジタルコア334、及びUSBデジタルコア336の下り側機能は、USBフロントエンド集積回路360に実装される。この例において、HS送受信機308、FS/LS送受信機310、HS送受信機338、及びFS/LS送受信機340は、各々別個の集積回路に実装される。或いは、リピータ300の様々なデジタル論理及び送受信機機能が、所望の実装に応じて、より少ない又はより多くの集積回路に実装され得る。また、リピータ300自体の一部又は全部は、例えばマイクロコントローラベースのシステムにおいてUSBポートを絶縁するために、より大規模な集積デバイス内に実装され得る。図3の実装におけるリピータ300の特定の実装は、排他的又は限定的なものではない。
上述したように、差動I/O対 UDP/UDMとDDP/DDMとの間で通信されるなど、USB物理層において用いられる信号は、差動「1」、差動「0」、及びSE0(両方の線がロー)の3つの状態を用いる。図3の実装に従って、1つのI/O対(例えば、UDP、UDM)で受信されたこれらの3つの状態は、絶縁障壁315を横切った適切な絶縁チャネルを介する2状態信号とした送信のために符号化され、続いて、ガルバニック障壁315の他方の側で復号され、他方のI/O対(例えば、DDP、DDM)を介して再送信される。この例において、リピータ300の絶縁チャネルを介して送信される2状態信号は、「0」論理レベル(論理ロー)又は「1」論理レベル(論理ハイ)の一方において、シングルエンド2値信号の形式に符号化される。或いは、リピータ300の絶縁チャネルを介して送信される2状態信号は、I/O対UDP/UDM又はDDP/DDMにおいて受信した信号の各遷移が、受信遷移の極性を示すパルスとして絶縁チャネルを介する送信のために符号化されるエッジベースの符号化とし得る。リピータ300の絶縁チャネルを介して送信される2状態信号の別の代替例は、「ON-OFFキーイング」と呼ばれ、この例では、信号の2つの状態は、キャリアの存在(例えば、「1」状態を表す)又はキャリアの不在(例えば、「0」状態を表す)によって表される。この実装に従ったリピータ300は、絶縁障壁315を横切る絶縁チャネルを介する信号の送信において、これらの及び類似の2状態符号化の任意のものを用い得ることが企図されている。
上述したように、差動I/O対UDP/UDMとDDP/DDMとの間で通信されるUSB物理層信号は、差動「1」、差動「0」、及びSE0(両方の線がロー)の3つの状態を表す。或いは、リピータ300によって受信及び送信される外部信号は、3つ又はそれ以上の可能な状態又は条件を表すシングルエンドデータ信号の組み合わせ、3値シングルエンド信号など、その他の形式又は符号化とし得ることが企図されている。本記載の目的のため、リピータ300のI/Oにおいて受信され、そこから送信されるUSB物理層信号は、差動「1」、差動「0」、及びSE0(両線ともロー)の3つの利用可能な状態を有する差動信号の形式として説明する。
図4を参照して、図1のシステムにおけるホストデバイス102及び周辺デバイス104などの、2つのUSBデバイス間で、一実装に従ってこれらのデバイス間のガルバニック絶縁を維持しながら、USB信号を通信するリピータ300の動作を一般的な意味で説明する。プロセス402において、リピータ300は、そのI/O対UDP、UDM、又はDDP、DDMの一方における適用可能なUSB規格に従った差動信号を受信する。
下記の例は、リピータ300が、プロセス402において、その上り側I/O UDP、UDMにおいてホストデバイス102から差動信号を受信する場合について説明する。下り側I/O DDP、DDMにおいて受信する信号に対するリピータ300の動作は同様のプロセスに従う。上述したように、I/O UDP、UDMにおいて受信したこれらの信号は、利用可能なUSB動作モード(例えば、HS、FS、LS)の1つに適用可能なデータ又はシグナリングを含み得、そのため、差動「1」、差動「0」、及びSE0の適用可能な状態のいずれか1つであり得る。プロセス402において受信したこれらの差動信号は、リピータ300のUSB送受信機302によって処理され、USB送受信機302は、プロセス404において、受信した差動信号が、リピータ300が現在動作している適切な動作モード(HS、FS、LS)のデータ又はシグナリングを構成するかを検出する。判定405において、USB送受信機302は、場合によっては、高速デジタルコア304及びUSBデジタルコア306の論理回路要素と共に、受信したUSB差動信号を絶縁障壁315を横切って周辺デバイス104に通信するために、リピータ300において取るべき適切な動作を判定する。
判定405において、差動信号がFS又はLS動作モードの一方のデータ又はシグナリングに対応すると判定される場合、プロセス406がUSBデジタルコア306によって実施されて、受信した差動信号をFS/LS送受信機310による絶縁障壁315を横切る通信のための2状態信号に符号化する。判定405において差動信号がHSモードにおけるデータ通信及びシグナリングに対応すると判定された場合、プロセス408がHSデジタルコア304によって実施されて、受信した差動信号を、HS絶縁チャネルDHS_LRを介する絶縁チャネル315を横切るHSトランシーバ308による通信のための2状態信号に符号化し、プロセス410がUSBデジタルコア306によって実施されて、FS/LS絶縁チャネルDP_LR、DM_LRの1つ又は複数を用いてFS/LS送受信機310による絶縁障壁315を横切る通信のためのシグナリング情報(例えば、EOP事象を示すSE0条件)を符号化する。判定405において差動信号がFS動作モードからHS動作モードに切り替えるためのハンドシェークシーケンスに対応すると判定された場合、プロセス412がUSBデジタルコア306によって実施されて、受信した差動信号を、FS/LS送受信機310による絶縁障壁315を横切る通信するための2状態信号に符号化し、そのため、周辺デバイス104は、HS絶縁チャネルDHS_LR、DHS_RLをイネーブルする前に適切に応答し得る。
符号化された信号がHS送受信機308又はFS/LS送受信機310から絶縁障壁315を横切って送信され、リピータ300の下り側の対応するHS送受信機338又はFS/LS送受信機340によって受信された後、プロセス420が、下り側のHSデジタルコア334又はUSBデジタルコア336のうちの適切な方によって実施される。復号プロセス420に続いて、プロセス422において、適用可能なデジタルコア機能は、適用可能なUSB規格に従って、I/O DDP、DDMにおける対応する差動信号を周辺デバイス104に送信するようにUSB送受信機332を制御する。その結果、ホストデバイス102によって送信されたUSB信号は、リピータ300によって周辺デバイス104に、これら2つのデバイス間の絶縁が維持される方式で転送される。
ここで図5を参照して、図4のプロセス406、412、及び422に従った、FS動作モードにおける絶縁障壁315を横切る2状態信号の符号化及び通信の一例を、下りFSデータの後にエンド・オブ・パケット(EOP)が続く場合について説明する。この例では、1つのFS絶縁チャネル(例えば、絶縁チャネルDM_LR)を用いて、絶縁障壁315を横切ってデータを下りに通信する一方で、2つの下りFS絶縁チャネル(例えば、絶縁チャネルDP_LR及びDM_LR)の組み合わせが、様々なシグナリング条件を示すために用いられる。また、この例において、絶縁チャネルDP_LR及びDM_LRを介して通信される2状態信号は、シングルエンド論理信号の形式であるが、上述したように、2状態信号のその他の形式又は符号化が代わりに用いられてもよい。図5のこの例のために、受信したUSB信号の符号化は下記を含む。
この表1において、送信の方向に応じて、「DP」は、絶縁チャネDP_LR又はDP_LRのいずれかを指し、「DM」は、絶縁チャネルDM_LR又はDM_RLのいずれかを指す。入力UDP、UDMにおいて受信される、図5に示す最初の4つの差動信号は、J状態およびK状態のシーケンス、すなわちJ-K-J-Kに対応する。表1の符号化に従って、これらの交番するJ状態及びK状態は、FS/LS送受信機310によって絶縁障壁315を横切って通信される。これは、その絶縁チャネルDP_LRを論理「1」レベルに駆動し、受信した論理状態に従って絶縁チャネルDM_LRを駆動することによって行われる。図5は、受信したJ又はK状態と交番する絶縁チャネルDM_LR(例えば、J状態の場合は論理「0」のDM_LR、K状態の場合は論理「1」のDM_LR)と組み合わせたハイレベルの絶縁チャネルDP_LRによるこの符号化を図示する。図5から明らかなように、絶縁障壁315を横切って通信され、FS/LS送受信機340によって受信されるこれらの符号化されたJ及びK状態は、次いで、プロセス420においてUSBデジタルコア336によって復号され、プロセス422において、対応するJ及びK状態としてI/O DDP、DDM上でUSB送受信機332によって送信される。
この例では、図5に示す第2のK状態は、パケットの最終有効ビットであり、そのため、ホストデバイス102によって送信されるエンド・オブ・パケット(EOP)指示子が続く。図2Aに関連して上述したように、FS/LSモードのためのUSB規格は、EOPが2ビット期間にわたるSE0状態と、それに続く1期間にわたるJ状態とによって示されることを特定する。そのため、図5の時間t1で開始すると、リピータ300が、最終有効(K)ビットの後、I/O UDP、UDMの両方においてロー論理レベルの形式でSE0を受信する。表1の符号化に従って、USBデジタルコア306は、プロセス406においてこのSE0状態を論理「0」におけるチャネルDP_LR、及び論理「1」における絶縁DM_LRとして符号化し、FS/LS送受信機310は、それに従って、FS/LS送受信機340における受信のために、絶縁障壁315を横切ってこれらの絶縁チャネルを駆動する。USBデジタルコア338は、絶縁チャネルDP_LR、DM_LRのこの状態をSE0としてそれぞれ0及び1として復号し、両方のI/O DDP、DDMをローに駆動するようにUSB送受信機332を制御する。これにより、この例ではSE0条件が周辺デバイス104に転送される。図5に示すように、K状態における最終有効ビットは、この最終ビットの信頼できる送信を保証するために、USB送受信機332によってI/O DDM上でわずかに拡張される。
2ビット期間にわたって延在するI/O UDP、UDMにおけるSE0状態に続いて、ホストデバイス102は、図5の時間t2から開始するように示すように、J状態を1ビット期間にわたって送信する。I/O UDP、UDMにおけるこのJ状態は、FS/LS送受信機310によって絶縁チャネルDP_LRを介して論理「1」として送信され、絶縁チャネルDM_LRを介して論理「0」として送信されるJ状態(図5に「D-J」として示す)として、USBデジタルコア304によって符号化される。この状態は、リピータ300の下り側のUSBデジタルコア340によって復号され、USBトランシーバ332によってI/O DDP、DDM上のJ状態として送信される。J状態を示すためのI/O DDPの遷移は、I/O DDMにおける時間t1に続く最終有効なKビットの拡張があると、わずかに遅延され得る。USB規格に従って、EOP指示子におけるJ状態の1ビット期間の後、I/O UDP、UDMは、時間t3において浮遊状態にされてアイドル状態になる。このアイドル状態は、1ビット期間を超えて1/0状態を維持するUSB送受信機310によって表1の符号化に従って絶縁チャネルDP_LR、DM_LR上に符号化され、次いで、アイドル状態に入る際にリピータ300の下り側のUSBデジタルコア336によって復号される。次いで、USBデジタルコア336は、USB送受信機332を制御して、そのI/O DDP、DDMを浮遊状態にして、EOP指示子に続くアイドル条件を周辺デバイス104に示す。
この実装に従って符号化され得るFS/LS動作モードの付加的な状態を下記の表2にまとめる。表2におけるL/R命名法は、図3に示すように、リピータ300の左側が(例えば、ホストデバイス102に向かう)上りであり、右側が(例えば、周辺デバイス104に向かう)下りであると仮定する。
この符号化は単に例として提供されている。リピータ300の絶縁障壁315を横切る通信のために、適用可能な規格に従ってUSB差動状態をシングルエンド信号対に符号化する代替案も企図される。いずれの場合においても、表2から明らかなように、絶縁チャネルDHS_LR及びDHS_RLは、FS及びLS動作モードにおいて用いられない。
ここで図6Aを参照して、図4のプロセス408、412、及び422に従った、HS動作モードにおける絶縁障壁315を横切る2状態信号の符号化及び通信の一例を、下りHSデータがスタート・オブ・パケット(SOP)指示子で始まる場合について説明する。この例では、HS動作モードにおける絶縁障壁315を横切って通信される2状態信号は、シングルエンド論理信号の形式として説明されるが、上述したように、2状態信号のその他の形式又は符号化が代わりに用いられてもよい。上述したように、バージョン2.0以降のUSB規格は、USB HSモードの場合、両方のデータ線(例えば、図3のI/O UDP、UDM)がローレベルであるSE0状態に対応するアイドル状態に続いて、K-J状態対のシーケンスを(高HSデータレートで)駆動する送信デバイスとしてHS動作モードのためのSOP指示子を定義する。SE0状態は、I/O UDP、UDMにおける0V差動によって示されるので、スケルチ検出器312は、「スケルチ」制御信号をアクティブハイレベルに駆動し、これに応答して、高速デジタルコア304は、HS送受信機308がHS絶縁チャネルDHS LRを介して信号を送信することを阻止する。図6Aの例において、K-J対のこのシーケンスにおける最初のK状態は、時間t1に開始され、この下りの例においてリピータ300のI/O UDP、UDMにおいて受信される。USB送受信機302のスケルチ検出器312は、少なくとも1遷移後に、その閾値レベル(例えば、150mV)を超える包絡線を有する、I/O UDP、UDMにおける差動を検出し、これに応答して、図6Aの時間t2に又はそれ以降に、スケルチ制御信号をイナクティブローレベルに駆動する。スケルチ制御信号のイナクティブレベル(I/O UDP、UDMにおいて差動信号が存在することを示す)に応答して、高速デジタルコア304は、I/O UDP、UDMにおいて受信した信号に対応してHS絶縁チャネルDHS_LRを介して信号を送信するようにHS送受信機308をイネーブルする。スタート・オブ・パケットを検出する前のこの時間の間、リピータ300がHS動作モードにあるため、I/O UDP、UDMにおけるSE0状態は、HSデジタルコア306によって、I/O UDP、UDMにおけるK差動状態(差動「0」)に対応する絶縁チャネルDHS_LR上に現れる論理ローレベルとして符号化される。絶縁チャネルDHS_LRのこの論理ローレベルは、プロセス408において絶縁障壁315を横切ってHS送受信機308によって駆動される。スケルチ検出器312からのスケルチ制御信号は、HSデジタルコア304に通信され、これに応答して、HSデジタルコア304は、HS送受信機308が絶縁チャネルDHS_LRを介して差動信号遷移を通信できるようにする。スケルチ検出器312によって感知された最初の遷移は、アイドルSE0状態に続く、KからJへの遷移(論理ローから論理ハイ)であるため、このKからJへの遷移は、時間t3において、論理ローから論理ハイへの遷移として、HS送受信機308によって絶縁チャネルDHS_LR上に駆動される。HS送受信機338によるこの最初のKからJへの遷移、及び後続の絶縁チャネルDHS_LR上の遷移を受信することに応答して、リピータ300の下り側のHSデジタルコア334は、プロセス420において、これらの遷移を新しいパケットの開始として復号し、これに応答して、HSデジタルコア304は、時間t4で始まる図6Aに示すように、プロセス422において、I/O DDP、DDMにおいてHSデータを周辺デバイス104に送信し始めるようにUSB送受信機332を制御する。リピータ300を介するUSBのHS動作モードにおけるデータ送信は、次いで、1つ又は複数のパケットに対して継続する。
図6Bは、エンド・オブ・パケット(EOP)指示子を含む、下りHSデータのパケットの終端における、図4のプロセス408、412、及び422に従ったHS動作モードにおけるリピータ300の動作の一例を図示する。上述したように、HSモードにおけるエンド・オブ・パケット(EOP)は、パケットの最終データビットとは逆のデータ状態の拡張された送信によって示され、それにSE0状態が続く。この拡張された送信、例えば8ビット期間にわたる拡張は、USB規格に従ったビットスタッフィング誤差であり、EOPとして解釈され得る。
図6Bは、時間t1に始まるI/O UDP、UDMにおいて受信される最終有効送信ビットの逆状態におけるこの拡張された送信の開始を図示する。この時、及び拡張された逆状態送信の間、スケルチ検出器312は、I/O UDP、UDMにおける信号の存在を検出し続け、そのため、「スケルチ」制御信号をイナクティブ論理ローレベルに維持する。SE0条件の駆動に続いて、この例におけるホストデバイス102は、図6Bの例において時間t2で生じるSE0条件でI/O UDP、UDMを置く。スケルチ検出器312は、I/O UDP、UDMにおけるこのSE0条件を差動信号の不在として検出し、これに応答してアクティブ「スケルチ」制御信号を発行する。この例に従って、アクティブスケルチ制御信号は、HSデジタルコア304によって受信され、EOP指示子として解釈される。アクティブスケルチ制御信号に応答して、HSデジタルコア304は、時間t3に絶縁チャネルDHS_LR上のデータ信号のさらなる送信を遮断して、チャネルDHS_LRをロー論理レベル(すなわち、K状態)のままにするように、HS送受信機308を制御する。
絶縁チャネルDHS_LRにおけるこのK状態は、リピータ300の下り側において有効パケットの一部として解釈され得るので、本実装に従ったEOP指示子を通信するためにFS絶縁チャネル(DP_LR、DM_LR)の1つ又は複数が用いられる。この例では、HSデジタルコア304が、拡張された逆状態送信のビットスタッフィング誤差によって示されるEOP条件をUSBデジタルコア306に示し、USBデジタルコア306は、FS/LS絶縁チャネルDP_LR又はDM_LRの1つ又は複数に対してEOP信号を発行するようにFS/LS送受信機310を制御する。図6Bの例において、絶縁障壁315を横切って伝達されるEOP信号は、時間t3に生じるFS/LS絶縁チャネルDP_LR又はDM_LRの1つに対する短いローに向かうパルスである。或いは、EOP信号は、特定の符号化(例えば、ビットのパターン)として伝達されてもよい。このパルスは、リピータ300の下り側のUSBデジタルコア336によって、HS動作モードにおけるEOPとして復号され、これに応答してHSデジタルコア334は、HS送受信機338をディセーブルする。一方、絶縁障壁315を横切って通信されるHSデータは、USB送受信機332によってI/O DDP、DDM上に転送されている。最終的に、EOPパルスの遅延バージョンがUSBデジタルコア334によって生成され、これに応答して、USB送受信機332は、時間t4にI/O DDP、DDMをSE0条件内に置いて、パケットの終端に達したことを周辺デバイス104に示す。
周辺デバイス104からホストデバイス102への上り送信の場合のHS動作モードにおける動作は、図6A及び図6Bに関連して上述したものと同じように、反対の絶縁チャネル(例えば、DHS_LRではなくDHS_RL)及びI/O指示で、リピータ300によって絶縁障壁315を横切って符号化及び通信される。
この実装に従って符号化され得るHS動作モードにおける付加的な状態を下記の表3にまとめる。表3におけるL/R命名法は、ここでも、図3に示すように、リピータ300の左側が上りであり(例えば、ホストデバイス102に向かう)、右側が下りである(例えば、周辺デバイス104に向かう)と仮定する。この符号化は単に説明のために例として提供されている。
リピータ300の絶縁障壁315を横切る通信のために、適用可能な規格に従ってUSB差動状態をシングルエンド信号対に符号化する代替案も企図される。
再び図4を参照すると、本実装に従ったハンドシェークプロセス412は、FS/LS絶縁チャネルDP_LR及びDM_LR、又はDP_RL及びDM_RLの一方を用いて成され得るが、これは、このようなハンドシェークに関わる「チャープ」信号に関わるシグナリングが、より遅いFSデータレートであり、FS動作モードにおいて完全に実施できるからである。この実装において、HS絶縁チャネルDHS_LR及びDHS_RLは、ハンドシェークプロセスの完了時にのみイネーブルされる。本実装に従ったFS/LS絶縁チャネルDP_LR及びDM_LR、又はDP_RL及びDM_RLを介する通信のためのハンドシェークチャープ信号の符号化が表3に示されている。例えば、ハンドシェークプロセス412を行なうために、周辺デバイス104が、アイドル状態の端子DDP、DDMにおいてSE0状態を適用することができ、その後、特定の時間の間K状態においてチャープが続き、それがUSB送受信機332によって受信される。プロセス412において、USBデジタルコア336が、受信したSE0状態を表2に従って、受信したチャープKを表3に従って符号化する。それに従って、FS/LS送受信機340によって、FS/LS絶縁チャネルDP_RL、DM_RLを介して絶縁障壁315を横切って送信される。次いで、USBデジタルコア306が、プロセス420において、FS/LS送受信機310によって絶縁チャネルDP_RL、DM_RLを介して受信されたこれらの2状態(例えばシングルエンド)信号を復号する。復号の結果がプロセス422においてUSB送受信機302によってSE0状態としてホストデバイス102に送信され、その後、端子UDP、UDMを介するチャープKが続く。デバイスチャープKに応答してホストデバイス102によって次いで送信されるアイドル状態のない、交番するK及びJのチャープ対は、端子UDP、UDMにおいてUSB送受信機302によって受けとられ(プロセス402)、FS/LS送受信機310によるFS/LS絶縁チャネルDP_RL、DM_RLを介する送信のために表3に従ってUSBデジタルコア304によって符号化され(プロセス412)、FS/LS送受信機340によって受けとられ、USBデジタルコア334によって復号され(プロセス420)、交番するK及びJチャープ対として端子DDP、DDMにおいて送信される(プロセス422)。周辺デバイス104は、最終的にその終端抵抗を切り替えてHS動作モードの低差動信号レベルをイネーブルし、続いて、周辺デバイス104によるHS動作モードへのリセットが完了すると、ホストデバイス102からのK-Jチャープ対が停止する。この時点で、絶縁障壁300の両側のHSデジタルコア306、336は、それぞれ、上述の方式でHS絶縁チャネルDHS_LR、DHS_RLを介するHSデータ通信のために、HS送受信機312、342をイネーブルする。
上述した実装により、例えば、フルスピード(FS)及び低速(LS)動作モードとともに高速(HS)動作モードを含む、複数の動作モードに効率的をサポートするために、USBネットワークにおける絶縁リピータの構築及び動作が可能となる。これらの実装において、HSデータの通信のために専用のHS絶縁チャネルを用い、HS動作モードにおける或るシグナリングに対して1つ又は複数のFS/LS絶縁チャネルを用いることによって、絶縁リピータの構築が効率化され得る。絶縁リピータのガルバニック絶縁障壁を横切る絶縁チャネル数を削減することにより、デバイスコストを削減し得るだけでなく、これらの複数のモードをサポートする際のリピータの電力消費も削減し得る。
また、これらの実装に従って、絶縁障壁を横切って信号を駆動及び受信する送受信機の設計及び構築を、あらゆる動作モードにおける性能のために最適化する必要がなくなる。上述したリピータ300の例において、HS送受信機308、338は、USB HS動作モードに従った高データレート通信用に設計することができ、それにより、例えば、消費電力を犠牲にして低ジッタ性能を優先させることができ、一方、FS/LS送受信機310、340は、FS/LS動作モードに従ったより低いデータレート通信のために設計することができ、それにより、例えば、より低いデータレート通信の緩和されたジッタ仕様を満たしながら電力消費の低減を優先させ得る。また、これらの実施例に従って、重要な電気的パラメータを損なうことなく、電気的に絶縁されたホストと周辺デバイスとの間で或る範囲の動作モードにわたって高データレートUSB通信を効率的に行ない得る。
本記載において用いる「結合する」という用語は、本記載と一貫する機能的関係を可能にする、接続、通信、又は信号経路を包含し得る。例えば、デバイスAが、或る動作を行うためにデバイスBを制御するための信号を生成する場合、第1の例において、デバイスAはデバイスBに結合され、或いは、第2の例において、デバイスAは、介在する構成要素Cを介してデバイスBに結合される、この場合、介在する構成要素Cは、デバイスAによって生成された制御信号を介してデバイスBがデバイスAによって制御されるように、デバイスAとデバイスBとの間の機能的関係を実質的に変更させない。或るタスク又は機能を実施するように「構成される」デバイスは、製造時に製造業者によってその機能を実施するように構成(例えば、プログラム及び/又は配線)され得、及び/又は製造後にユーザによってその機能及び/又はその他の付加的又は代替の機能を実施するように構成可能(又は再構成可能)とされ得る。このように構成することは、デバイスのファームウェア及び/又はソフトウェアプログラミングにより、ハードウェア構成要素の構築及び/又はレイアウト、並びにデバイスの相互接続により、或いはこれらの組み合わせにより成され得る。
本明細書において用いられるように、「端子」、「ノード」、「相互接続」、及び「ピン」という用語は交換可能に用いられる。特に断りのない限り、これらの用語は概して、デバイス素子、回路素子、集積回路、デバイス、或いはその他の電子又は半導体構成要素の端子間の相互接続を意味するために用いられる。
特に明記されていない限り、或る値の前の「約」、「ほぼ」、又は「実質的に」は、記載されている値の±10パーセントを意味する。特許請求の範囲内で、説明した例における改変が可能であり、その他の例が可能である。
本明細書において1つ又は複数の実施例が記載されているが、これらの実施例の改変及びこれらの実施例に対する代替が、本明細書及びその図面を参照する当業者に明らかであろうことがむろん企図されており、このような改変及び代替は、本発明の1つ又は複数の利点及び利益を得ることができる。このような改変及び代替は、本明細書に提示された特許請求の範囲に含まれることが企図されている。

Claims (21)

  1. ユニバーサルシリアルバス(USB)通信のための絶縁リピータであって、
    第1の端子対に結合される第1のフロントエンド回路要素と、
    第2の端子対に結合される第2のフロントエンド回路要素と、
    前記第1のフロントエンド回路要素に結合され、1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して信号を駆動及び受信するように適合される、第1のフルスピード(FS)送受信機と、
    前記第2のフロントエンド回路要素に結合され、前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して前記第1のFS送受信機に信号を駆動し、前記第1のFS送受信機から信号を受信するように適合される第2のFS送受信機であって、前記第1及び第2のFS送受信機が互いからガルバニック絶縁されている、前記第2のFS送受信機と、
    前記第1のフロントエンド回路要素に結合され、第1のHS絶縁チャネルを介して信号を駆動し、第2のHS絶縁チャネルを介して信号を受信するように適合される第1の高速(HS)送受信機と、
    前記第2のフロントエンド回路要素に結合され、前記第2のHS絶縁チャネルを介して前記第1のHS送受信機に信号を駆動し、前記第1の絶縁チャネルを介して前記第1のHS送受信機から信号を受信するように適合される第2のHS送受信機であって、前記第1及び第2のHS送受信機が互いからガルバニック絶縁されている、前記第2のHS送受信機と、
    を含み、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSデータに対応する信号を、第1のHS絶縁チャネルを介して第1のHS送受信機によって送信される2状態信号に符号化するように適合されており、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSシグナリングに対応する信号を、前記FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介して前記第1のFS送受信機によって送信される2状態信号に符号化するように適合されており、
    前記第2のフロントエンド回路が、前記第2の端子対において信号として送信するために、前記第1のFS送受信機から前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して及び前記第1のHS送受信機から前記第1のHS絶縁チャネルを介して前記第2のFS送受信機によって受信される2状態信号を復号するように適合される、リピータ。
  2. 請求項1に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されFSデータ及びシグナリングに対応する信号を、前記FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介して前記第1のFS送受信機によって送信される2状態信号に符号化するように適合され、
    前記第2のフロントエンド回路が、前記第2の端子対においてFSデータ及びシグナリングに対応する信号として送信するために、前記第1のFS送受信機から前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して、前記第2のFS送受信機によって受信される2状態信号を復号するように適合される、リピータ。
  3. 請求項1に記載のリピータであって、
    前記第1及び第2のフロントエンド回路要素が、前記第1及び第2の端子対において受信され、HS動作モードに入ることを示すハンドシェークシーケンスに対応する信号を、それぞれ前記第1及び第2のFS送受信機による前記FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介する送信のために、2状態信号に符号化するように適合され、
    前記第1及び第2のフロントエンド回路要素が、それぞれ前記第1及び第2の端子対において前記ハンドシェークシーケンスにおける信号として送信するために、前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して受信される2状態信号を復号するように適合され、
    前記ハンドシェークシーケンスの完了に応答して、前記第1及び第2のフロントエンド回路要素が、前記第1及び第2のHS送受信機をそれぞれ、前記第1及び第2のHS絶縁チャネルを介して信号を駆動及び受信するためにイネーブルする、リピータ。
  4. 請求項1に記載のリピータであって、前記HS及びFS絶縁チャネルの各々が、容量性絶縁チャネル、誘導性絶縁チャネル、及び光学絶縁チャネルの1つを含む、リピータ。
  5. 請求項1に記載のリピータであって、前記第1のHS送受信機が、
    前記第1のフロントエンド回路要素に結合される入力と前記第1のHS絶縁チャネルに結合される出力とを有する送信器と、
    前記第2のHS絶縁チャネルに結合される入力と、前記第1のフロントエンド回路要素に結合される出力とを有する受信器と、
    を含み、
    前記第2のHS送受信機が、
    前記第2のフロントエンド回路要素に結合される入力と前記第2のHS絶縁チャネルに結合される出力とを有する送信器と、
    前記第1のHS絶縁チャネルに結合される入力と前記第2のフロントエンド回路要素に結合される出力とを有する受信器と、
    を含む、リピータ。
  6. 請求項1に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素と、前記第1のHS送受信機と、前記第1のFS送受信機とが、第1の電源ノード及び第1の接地ノードからバイアスされ、
    前記第2のフロントエンド回路要素と、前記第2のHS送受信機と、前記第2のFS送受信機とが、第2の電源ノード及び第2の接地ノードからバイアスされ、
    前記第1の電源ノードが前記第2の電源ノードから電気的に絶縁され、前記第1の接地ノードが前記第2の接地ノードから電気的に絶縁される、リピータ。
  7. 請求項1に記載のリピータであって、前記第1のフロントエンド回路要素が、
    前記第1の端子対に結合されるUSB送受信機と、
    HSデジタル回路要素であって、前記USB送受信機及び前記第1のHS送受信機に結合され、前記第1のHS送受信機による送信のために、HSデータに対応する信号を2状態信号に符号化するように適合されている、前記HSデジタル回路要素と、
    USBデジタル回路要素であって、前記USB送受信機及び前記第1のFS送受信機に結合され、前記第1のFS送受信機による送信のために、HSシグナリングに対応する信号を2状態信号に符号化するように適合されている、前記USBデジタル回路要素と、
    を含む、リピータ。
  8. 請求項1に記載のリピータであって、前記第1のフロントエンド回路要素がさらに、
    前記第1の端子対に結合され、1つ又は複数の差動閾値レベルに対して前記第1の端子対における信号の存在又は不在を検出するように適合されるスケルチ検出器を含む、
    リピータ。
  9. 請求項8に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、複数の動作を実施することによって、HSデータのパケットの開始において前記第1のHS送受信機及び前記第1のFS送受信機による送信のために2状態信号を符号化するように適合され、
    前記複数の動作が、
    前記スケルチ検出器が、前記第1の端子対において差動信号の不在を検出することに応答して、前記第1のHS送受信機による前記第1のHS絶縁チャネルを介する送信のためにK状態の2状態信号を符号化することと、
    次いで、前記スケルチ検出器が、前記第1の端子対において差動信号の存在を検出することと、前記差動信号がK状態に続くJ状態に対応することと、に応答して、前記第1のHS送受信機による前記第1のHS絶縁チャネルを介する送信のためにJ状態の2状態信号を符号化することと、
    を含み、
    前記第1の端子対において受信されるK及びJ状態対のシーケンスが、スタート・オブ・パケット指示子に対応する、
    リピータ。
  10. 請求項8に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、HSデータ送信のためのエンド・オブ・パケットを示すように、前記第1のHS送受信機及び前記第1のFS送受信機による送信のために2状態信号を符号化するように適合され、前記HSデータ送信が、
    前記スケルチ検出器が信号の前記不在を検出することに応答して、前記第1のHS送受信機が前記第1のHS絶縁チャネルを介する送信を行うことを阻止すること、及び、前記第1のFS送受信機による前記FS絶縁チャネルの1つを介する送信のためにスタート・オブ・パケット信号を符号化することと、
    前記第2の端子対においてシングルエンドゼロ状態として送信するために、前記第2のFS送受信機において、前記FS絶縁チャネル上で受信した前記エンド・オブ・パケット信号を復号することと、
    を含む、リピータ。
  11. 請求項1に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSデータに対応する信号を、第1のHS絶縁チャネルを介して第1のHS送受信機によって送信されるシングルエンド信号に符号化するように適合され、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSシグナリングに対応する信号を、前記FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介して第1のFS送受信機によって送信されるシングルエンド信号に符号化するように適合され、
    前記第2のフロントエンド回路が、前記第2の端子対において信号として送信するために、前記第1のFS送受信機から前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して及び前記第1のHS送受信機から前記第1のHS絶縁チャネルを介して、前記第2のFS送受信機によって受信されるシングルエンド信号を復号するように適合される、リピータ。
  12. 請求項1に記載のリピータであって、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSデータに対応する差動信号を、第1のHS絶縁チャネルを介して第1のHS送受信機によって送信される2状態信号に符号化するように適合され、
    前記第1のフロントエンド回路要素が、前記第1の端子対において受信されHSシグナリングに対応する差動信号を、前記FS絶縁チャネルの1つ又は複数を介して第1のFS送受信機によって送信される2状態信号に符号化するように適合され、
    前記第2のフロントエンド回路が、前記第2の端子対において差動信号として送信するために、前記第1のFS送受信機から前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して及び前記第1のHS送受信機から前記第1のHS絶縁チャネルを介して前記第2のFS送受信機によって受信した2状態信号を復号するように適合される、リピータ。
  13. 高速(HS)動作モード及びフルスピード(FS)動作モードに対応するユニバーサルシリアルバス(USB)信号をガルバニック絶縁障壁を横切って通信する方法であって、
    リピータの第1の端子対において信号を受信することと、
    前記HS動作モードにおけるデータに対応する受信信号について、
    HSデータに対応する前記受信信号を2状態信号に符号化することと、
    第1のHS絶縁チャネルを介して絶縁障壁を横切って前記2状態信号を送信することと、
    前記第1のHS絶縁チャネルから受信した前記2状態信号をHSデータに対応する信号に復号することと、
    HSデータに対応する前記信号を前記リピータの第2の端子対から送信することと、
    前記HS動作モードにおけるシグナリングに対応する受信信号について、
    HSシグナリングに対応する前記受信信号を2状態信号に符号化することと、
    1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して前記絶縁障壁を横切って前記2状態信号を送信することと、
    前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルから受信した前記2状態信号をHSシグナリングに対応する信号に復号することと、
    HSシグナリングに対応する前記信号を前記リピータの前記第2の端子対から送信することと、
    を含む、方法。
  14. 請求項13に記載の方法であって、
    前記絶縁障壁を横切って2状態信号を送信することが各々、前記2状態信号を容量性絶縁障壁の一方の側に結合することを含み、
    前記シングルエンド信号が、前記容量性絶縁障壁の別の側で受信される、方法。
  15. 請求項13に記載の方法であって、
    前記FS動作モードにおけるデータ及びシグナリングに対応する受信信号について、
    前記受信信号をシングルエンド信号に符号化することと、
    1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して前記絶縁障壁を横切って前記2状態信号を送信することと、
    前記1つ又は複数の絶縁チャネルから受信した前記2状態信号をFSデータ及びシグナリングに対応する信号に復号することと、
    FSデータ及びシグナリングに対応する前記信号を前記リピータの第2の端子対から送信することと、
    をさらに含む、方法。
  16. 請求項13に記載の方法であって、
    HS動作モードに入ることを示すハンドシェークシーケンスに対応する前記リピータの第1及び第2の端子対の一方において受信される信号について、
    前記受信信号をシングルエンド信号に符号化することと、
    前記1つ又は複数のFS絶縁チャネルを介して前記絶縁障壁を横切って前記2状態信号を送信することと、
    前記1つ又は複数の絶縁チャネルから受信した前記2状態信号をFSデータ及びシグナリングに対応する信号に復号することと、
    FSデータ及びシグナリングに対応する前記信号を前記リピータの前記第1及び第2の端子対の別の対から送信することと、
    前記ハンドシェークシーケンスの完了に応答して、第1及び第2のHS絶縁チャネルを介してシングルエンド信号を駆動及び受信するために、第1及び第2のHS送受信機をイネーブルすることと、
    をさらに含む、方法。
  17. 請求項13に記載の方法であって、
    前記HS動作モードにおけるデータのスタート・オブ・パケットに対応する受信信号について、
    前記第1の端子対における信号の不在を検出することに応答して、K状態の2状態信号を符号化することと、
    前記第1のHS絶縁チャネルを介して前記絶縁障壁を横切って前記K状態の2状態信号を送信することと、
    次いで、前記第1の端子対において信号の存在を検出することとK状態に続くJ状態に対応する前記信号とに応答して、J状態の2状態信号を符号化することと、
    前記第1のHS絶縁チャネルを介して前記J状態の2状態信号を送信することと、
    をさらに含み、
    前記第1の端子対において受信されるK及びJ状態対のシーケンスが、スタート・オブ・パケット指示子に対応する、方法。
  18. 請求項13に記載の方法であって、
    前記HS動作モードにおけるデータのエンド・オブ・パケットに対応する受信信号について、
    前の状態とは逆の状態の拡張された送信に対応する信号を前記第1の端子対において受信することに応答して、前記拡張された送信の前記状態に対応する2状態信号を符号化することと、
    前記拡張された送信の前記状態に対応する前記2状態信号を、前記第1のHS絶縁チャネルを介して前記絶縁障壁を横切って送信することと、
    次いで、前記第1の端子対において信号の不在を検出することに応答して、前記第1のHS絶縁チャネルを介してシングルエンド信号の遷移の送信を阻止し、前記FS絶縁チャネルの1つを介する前記第1のFS送受信機による送信のためにパルスを符号化することと、
    前記第1のFS絶縁チャネル上で受信した前記パルスをシングルエンドゼロ状態として復号することと、
    前記第2の端子対においてシングルエンドゼロ状態を送信することと、
    をさらに含む、方法。
  19. 請求項13に記載の方法であって、前記2状態信号がシングルエンド信号である、方法。
  20. 請求項13に記載の方法であって、
    前記リピータの前記第1の端子対において受信
    される前記信号が差動信号であり、
    前記HS動作モードにおけるデータに対応する受信差動信号について、前記リピータの前記第2の端子対からHSデータに対応する信号を送信することが、差動信号を送信することを含み、
    前記HS動作モードにおけるシグナリングに対応する受信差動信号について、前記リピータの前記第2の端子対からHSシグナリングに対応する信号を送信することが、差動信号を送信することを含む、方法。
  21. ユニバーサルシリアルバス(USB)リピータであって、
    第1の入出力導体(I/O)に結合される第1のフロントエンドであって、
    前記第1のI/Oに結合される第1のUSB送受信機と、
    前記第1のUSB送受信機に結合される第1の高速(HS)デジタルコアと、
    前記第1のUSB送受信機及び前記第1のHSデジタルコアに結合される第1のUSBデジタルコアと、
    前記第1のHSデジタルコアに結合される第1のHS送受信機と、
    前記第1のUSBデジタルコアに結合される第1のUSB送受信機と、
    を含む、前記第1のフロントエンドと、
    第2のI/Oに結合される第2のフロントエンドであって、
    前記第2のI/Oに結合される第2のUSB送受信機と、
    前記第2のUSB送受信機に結合される第2の高速(HS)デジタルコアと、
    前記第2のUSB送受信機及び前記第2のHSデジタルコアに結合される第2のUSBデジタルコアと、
    前記第2のHSデジタルコアに結合される第2のHS送受信機と、
    前記第2のUSBデジタルコアに結合される第2のUSB送受信機と、
    を含む、前記第2のフロントエンドと、
    前記第1のフロントエンドと前記第2のフロントエンドの間に絶縁結合される絶縁回路と、
    を含み、
    前記第1のHS送受信機が、前記絶縁回路を介して前記第2のHS送受信機に絶縁結合され、前記第1のUSB送受信機が、前記絶縁回路を介して前記第2のUSB送受信機に絶縁結合される、
    リピータ。
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