TWI441399B - 過電壓保護電路、提供過電壓保護的介面系統及在資料匯流介面中的過電壓保護方法 - Google Patents

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Description

過電壓保護電路、提供過電壓保護的介面系統及在資料匯流介面中的過電壓保護方法
本發明是相關於電子電路，更特別地是，相關於一種用於一高速埠的高效輸入/輸出(I/O)埠過電壓保護方法。
通用串列匯流排(USB)是一標準的串列匯流排介面，其連接各種裝置(例如，多個電腦周邊設備、或可攜式音樂和影像播放器)利用熱抽換(hot swapping)的方式連接至一電腦主機，以讓資料傳輸變得容易，或者其亦允許在不需要電腦重新開機、或關閉裝置的情形下，讓裝置能連接至電腦、或自電腦拔除，此種方式的連接亦稱為熱插拔(hot plugging)，並且，USB允許各種裝置在不需要於電腦主機上安裝製造商特有的裝置驅動程式的情形下使用。USB實施者論壇(USB Implementers Forum，USB-IF)(一個集合了來自電腦及電子產業公司的產業貿易協會)訂立了USB的設計標準，USB旨在於取代串列埠與平行埠的許多繼承變化(legacy varieties)，並且，對許多電腦周邊設備而言，USB已經變成了標準的連接協定。
一USB介面採用的是主從式架構(master/slave architecture)。根據一USB介面的參照標準，主控裝置(master)被稱為「上游」裝置，或是主機/集線器(host/hub)，而從屬裝置(slave)則被稱為「下游」裝置，另外，該介面由四條連接線組成：D+，D-，VBUS，以及接地(Ground)，其中，二條資料線(D+以及D-)是用於雙向資料傳輸，且其使用的是差動驅動技術(differential drive techniques)，另外，連接線VBUS以及接地則是用於將電源自該上游主機分配至該下游裝置，同樣地，在此的用語「上游」以及「下游」是以一特殊USB介面的觀點。
多個USB裝置可以通過集線器而串聯連接。一USB集線器是一個讓多個USB裝置能夠連接到在該主機、或一另一集線器上的一單一USB埠的裝置，每一個集線器都具有一個上游埠以及數個下游埠，其中，該上游埠會將該集線器(直接、或通過其他集線器而)連接至該主機，而其他的集線器、或裝置則是可以依附至該多個下游埠，另外，USB集線器可以內建於許多設備中，例如，電腦鍵盤、電腦螢幕、個人電腦(PC)、智慧型手機、電動遊戲機、車用資訊娛樂系統(infotainment system)(其包括一具即時交通資訊的導航應用程式、一免持式通訊應用程式以及一影音儲存和錄放程式的其中一個或多個)、或其他，此外，汽車製造商已經開始在車輛中裝設USB埠(例如，裝設在汽車儀表板、或操控中心)，以讓USB周邊裝置可以連接至車內的娛樂系統、或資訊娛樂系統，因此，一可攜式音樂播放器現在已被允許利用車上本身的系統而播放音樂以及控制與顯示功能，其中一個例子是Ford Motor Company的SYNC系統。
而一個具有內在電壓較USB位準更高的系統(例如，一車用資訊娛樂系統)則是導入了原先在產業規範(例如，根據USB實施者論壇所訂立的USB 2.0規範)中所未考慮到的設計問題。USB集線器的最初應用程式主要是用於在低電壓操作的同時，將數位裝置、或USB周邊裝置連接在一起，以及同時連接至電腦主機，因此，使得在USB介面的資料線與電源線上的最大允許電壓位準，會小於汽車電子模組中連接線上的電壓位準以及小於外部連接至汽車電子模組的連接線的電壓位準，舉例而言，通常USB資料線以及電源線的電壓可至5V，而一汽車電池則是可以提供12V的電壓，所以，在汽車儀表板、或操控中心裡的USB線就可能因與12V汽車電池的正電壓發生短路而被破壞，再加上許多電動汽車系統的製造商是參考ISO(國際標準化組織)7637來定義電瞬變保護(electrical transient protection)，而其則是允許了比一般USB電壓位準高的電壓。
除了沒有產業規範指出USB線在耦接至操作電壓高出許多的系統中的過電壓保護之外，提出過電壓解決方案的設計也必須符合幾個需求，這些需求中的一些例子包括，為了最大化保護要對電湧浪(electrical surges)與瞬變做出快速反應，可最小化訊號衰減的低電容，可最小化空間受限模組(space-constrained module)的覆蓋面積(footprint)的小包(package)，支援高速資料率，以及滿足USB-IF眼狀圖(USB-IF eye pattern diagram)。
USB-IF眼狀圖可用於診斷會在數位通訊系統中造成串行資料(serial data)毀壞的訊號完整性(signal-integrity)問題。USB 2.0規範的測試點2以及3指出新的方法，而通過新的方法則是可以產生用於封包格式化資料(packetized data)的眼狀圖，USB 2.0規範敘述了符合過電壓保護裝置的困難需求，例如，一相對應眼狀圖的上升及下降時間、訊號位準、以及脈衝偏離(pulse skew)，更甚者，資料線的過電壓保護有可能因為支援用於這些資料線的480MBits/sec高速資料率而變得更困難，因為在此速度下，電路板，連接器，以及任何額外電路系統的電容以及電感都會變得相當關鍵(critical)，而這些高頻電容與電感效應則是使得滿足上述所有需求變得困難。
有鑑於上述內容，的確有需要一種有效的方法以及系統，以為輸入/輸出埠提供過電壓保護。
用於一高速埠的高效輸入/輸出(I/O)埠過電壓保護系統與方法。
在一實施例中，一用於將周邊裝置連接一計算系統的介面系統包括用以運送串列通訊雙向訊號(serial communications bi-directional signals)的埠，以及一過電壓保護電路，其中，該保護電路回應在一相對應第二埠上的一過電壓事件而阻止在一埠上的一過電壓情況，此外，該過電壓保護電路可以在不發生一工業標準規範(例如，通用串列匯流排(USB)實施者論壇(IF)眼狀圖測試)所定義的訊號衰減的情形下，在二埠之間傳輸雙向訊號，在一實施例中，該介面系統會將USB周邊裝置連接至具有一電位高於一USB電源供應器的車用電池的一車用資訊娛樂系統，並且，該過電壓保護電路會被建構為具有一小覆蓋面積，因此，不會利用一電源參考以及比較器電路。
同樣受到考慮的是，一種保護在低於一介面計算系統的一電池電位的電壓位準下操作的連接線和埠的方法，其中，在一第一埠上的一過電壓事件可以因在一相對應第二埠上造成的一過電壓情況而被阻止，此外，該等埠被建構為在一高速資料率模式下運送串列通訊雙向訊號，並且，該方法可以在不發生一工業標準規範(例如，通用串列匯流排(USB)實施者論壇(IF)眼狀圖測試)所定義的訊號衰減的情形下，傳輸這些訊號。
這些以及其他的實施例將可在以接下來的敘述以及所附圖式做為參考的情形下獲得瞭解。
在本發明被允許進行各種修飾以及成為可取代形式的同時，相關的特殊實施例是通過圖式中的實例而顯示，並在此進行詳細敘述，然而，應該瞭解的是，圖式以及對其的詳細敘述並非意欲於將本發明限制為所揭示的特殊形式，相反的，本發明囊括了落在本發明所附申請專利範圍定義的精神以及範圍內的所有修飾、等義形式、以及可取代形式。
在接下來的敘述中，會提出許多個特殊的細節，以提供對於本發明的徹底瞭解，然而，熟悉此領域中具通常知識者應可瞭解，本發明即使在沒有這些特殊細節的情形下同樣可以實施，另外，在某些例子中，熟知的電路、結構、以及技術將不會詳細顯示，以避免產生混淆。
請參閱圖1，其顯示一利用一資料匯流介面而耦接至多個周邊裝置的計算系統100的一實施例。此實施例中並未包括功能方塊、控制邏輯、以及在處理節點110內部和外部所需要的介面的所有範例，此外，計算系統100可以包括二、或多個處理節點110，而所顯示的實施例則是為了符合簡單圖例說明的目的。
計算系統100包括至少一處理節點110。在一實施例中，處理節點110是依據一12V汽車電池而運作的一車用資訊娛樂系統，其中，處理節點110包括下列的其中一個或多個，包括：一具有即時交通資訊(real-time traffic)的導航應用程式(navigation application)，一免持式通訊應用程式(hands-free communication application)，一影音儲存與錄放應用程式(audio/video storage and playback application)，以及其他，另外，處理節點110可包括系統匯流排120，處理單元114，記憶體子系統(memory subsystem)112，介面邏輯140，USB(通用串列匯流排)主機130，以及USB集線器核心132，在一實施例中，所舉例說明的該處理節點110的功能會合併在一單一積體電路中，而在其他的實施例中，所舉例說明的該處理節點110的功能則可能被提供在一系統晶片(system-on-chip，SOC)上、在一主機板或卡上分開的半導體晶片上，在或是其他。
在一實施例中，處理單元114包括一、或多個處理器核心，其中，每一個處理器核心皆包括用以根據一預先定義指令集(predefined instruction set)而執行指令的電路系統，舉例而言，可以選擇x86指令集架構(instruction set architecture，ISA)，或者，二者擇一地，也可以選擇Alpha，PowerPC，或是任何其他的指令集架構，並且，每一個處理器核心皆可以實施為同時執行一軟體應用程式的多個軟體線程(software threads)，在另一實施例中，處理單元114包括一、或多個專用積體電路(application specific integrated circuits，ASICs)、或微控制器，此外，處理單元114可以包括一、或多個數位訊號處理器(DSPs)，圖形處理單元(GPUs)，類比數位轉換器(ADCs)，以及數位類比轉換器(DACs)，不過，在處理單元114中也可能可考慮包含其他的資料處理半導體晶片設計，再者，基於考量作為介面、晶片上路線安排(on-die routing)，以及訊號完整性，或是其他理由，這些資料處理設計可以於實際上實施為位在處理單元114外部。
一般而言，處理單元114會存取記憶體儲存器(memory storage)，以取得資料及指令(instructions)、或命令(commands)，雖然未顯示，但有可能是一ASIC、或其他資料處理晶片(data processing die)經由介面140而接收直接來自一外部來源的命令，在一實施例中，被整合在處理單元114中的一快取記憶體(cache memory)子系統可實施為一被建構以儲存資料區塊的L1快取記憶體結構(cache structure)，且可能地是，再伴隨著一額外L2快取記憶體結構，另外，記憶體子系統(Memory subsystem)112可實施為一L2、或L3快取記憶體結構，並且可以直接耦接至處理單元114，而若是無法在一集成快取記憶體結構(integrated cache structure)、或記憶體子系統中找到一要求的區塊時，則為了存取該遺失區塊所對應到的外部記憶體，就會產生一讀取要求，並將其傳送至一記憶體控制器(未顯示)，再者，除了一快取記憶體結構之外，外部記憶體，記憶體子系統112，以及任何在處理單元114中的集成記憶體皆可包括任何合適的記憶體裝置，舉例而言，這些記憶體可以包括一、或多個RAMBUS動態隨機存取記憶體(DRAMs)，同步DRAMs(SDRAMs)，DRAM，靜態RAM，循序儲存元件(如覆晶(flip-flop)以及閂(latches)等)。
系統匯流排120被建構以回應在耦接至處理節點110的該等連結上所接收的控制封包，以產生回應處理單元114、及/或記憶體子系統112的控制封包，產生回應一記憶體控制器(未顯示)所選擇的異動的探針命令(probe commands)以及回應封包，以及安排作為一中間節點的節點110其通過介面邏輯140而到達其他節點的封包路線，其中，介面邏輯140可以包括接收封包的邏輯，並且可以使封包與系統匯流排120所使用的一內部計時器(internal clock)產生同步。
處理節點110可以被耦接至一、或多個周邊裝置150 a-150 d。正如在此所使用的，具有數字與字母一起組成的代表符號的元件亦可以整體一起由數字作為代表符號，舉例而言，周邊裝置150 a-150 d可以整體一起被稱為周邊裝置150，另外，取決於處理節點110的實施方式不同，周邊裝置150可以包括可攜式儲存裝置，掌上型遊戲機(gamepads)，智慧型手機，個人數位助理(PDAs)，可攜式影音播放器，照相機，或其他，並且，一周邊裝置150可以由數個被稱之為裝置功能(device functions)的邏輯子裝置(logical sub-devices)所組成，一單一的周邊裝置150可以提供數種功能，舉例而言，一可攜式DVD播放器同時具備影像裝置功能以及具有聲音裝置功能的內建揚聲器，此外，其他的裝置亦可適用於本發明的範圍，因此本發明並不受限於所使用的特殊型態的周邊設備。通常，周邊裝置150可以在低電壓下操作，例如，5V，其中，處理節點110可以具通訊能力地(communicatively)耦接至一12V汽車電池，而若是一過電壓事件發生時，例如，汽車電池的12V電位暫時地連接至位於介面邏輯140中資料匯流邏輯內的一輸入/輸出(I/O)埠而發生短路時，則I/O埠就可能受到永久性地損害。
通常，串列資料通訊(例如，一通用串列匯流排(USB))是因其通過熱抽換而達成的簡易資料傳輸，而被作為周邊裝置150連接至處理節點110的一標準界面，在一實施例中，一USB系統具有一非對稱的設計，由包括一或多USB主機控制器的一USB主機130，包括多個下游USB埠的一USB集線器核心132，以及以多層星狀拓樸(tiered-star topology)形式相連接的多個周邊裝置150組成，額外的USB集線器132可以被包括在該等階層(tiers)中，並允許分支成為最多5個階層的樹狀結構，USB裝置(例如，周邊裝置150以及USB集線器132)會透過USB集線器132而串聯連結，已知為一根集線器(root hub)的一個集線器可以建立於USB主機130範圍內的一主機控制器中。
一USB主機130可以具有多個主機控制器，並且，每一個主機控制器可以提供一、或多個USB埠，而USB主機130則是會將一主機系統(例如，處理節點110)連接至其他網路以及儲存裝置(例如，周邊裝置150)。
一主機控制器介面(HCI，host controller interface)是一暫存器層次介面(register level interface)，其允許在USB主機130內的一主機控制器與處理節點110的操作系統進行溝通，而在一擴充卡、或主機板控制器上，除了用以管理高速差分訊號(high-speed differential signals)的類比電路系統以外，該HCI更可包括位在元件可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Arrays，FPGAs)中的數位邏輯引擎(digital logic engines)，另外，在軟體側(software side)，該HCI可能需要一裝置驅動程式，或是一主機控制器驅動程式(Host Controller Driver，HCD)，其中，現今的二種HCI版本包括一開放式主機控制器介面(OHCI，Open Host Controller Interface)以及一增強型主機控制器介面(EHCI，Enhanced Host Controller Interface)，而它們則是被嵌入在該USB主機130中，且該USB主機130會在沒有使用者介入的情形下，相應地安排不同USB速度的路線，舉例而言，在一實施例中，USB集線器核心132會支援低速(LS，low-speed)傳輸(或1.5Mbit/s)，全速(FS，full-speed)傳輸(或12Mbit/s)，以及高速(HS，high-speed)傳輸(或480Mbit/s)，在此，由於耦接至相對應資料線的電容的行為不同，因此相較於LS或FS訊號，USB HS訊號可能導入不同的電路效果，而這些效果則會於接下來進行更詳細的討論。
在一實施例中，位於USB集線器核心132以及USB主機130與介面140兩者之間的該等介面可以包括，USB 2.0收發器巨集單元介面(USB 2.0 Transceiver Macrocell Interface，UTMI)、或一延伸版本(UTMI+)，在一另一實施例中，該等介面可以包括，UTMI+低接腳數介面(ULPI，UTMI+Low Pin Interface)，其是用以將USB核心邏輯連接至一USB收發器的一12接腳介面標準，ULPI可以實施為在UTMI+以及一實體層(PHY)附近的一包裝(wrapper)，以降低在高速(HS)USB系統中的接腳數。
通常，介面邏輯140可以包括緩衝器，以接收來自一外部連結的封包，以及緩衝要於此連結中傳送的封包，而計算系統100在傳輸資料方面則是可以採用任何適合的流量控制機制，另外，介面邏輯140可以包括一實體層(PHY)，其會被整合於大多數的USB系統之中，以在該介面的數位以及已調變部分之間提供一橋接，其中，一PHY會將一連結層裝置(link layer device)連接至一實體媒介(physical medium)，例如，一光纖或銅纜線，通常，一PHY包括一實體編碼子層(PCS，Physical Coding Sublayer)，以及一實體媒介關聯(PMD，Physical Medium Dependent)子層，該PCS會對傳輸以及接收的資料進行編碼以及解碼，而該編碼的目的則是在於讓接收器能夠更簡單地恢復該訊號，另外，該PMD則是由一用於該實體媒介的收發器所組成。
現在請參閱圖2，其顯示一具有一過電壓保護電路的資料匯流連接至一高電壓系統的實施例。在所顯示的實施例中，並請再次參閱圖1，一USB周邊裝置150可以通過一介面(例如，介面邏輯140)而被連接至一車用資訊娛樂系統(例如，處理節點110)。
在一實施例中，一周邊裝置的電源線或VBUS，接地，以及二條資料線(D+和D-)會被連接至介面邏輯140中相對應的線，以將這些訊號耦接至一USB集線器的一下游埠，舉例而言，一可攜式媒體播放器可被插入一汽車的一儀表板中的一USB插座，則該可攜式媒體播放器的該D+資料線就會被耦接至圖2中的ConnectorDatal 230，該可攜式媒體播放器的該相對應D-資料線會被耦接至圖2中的ConnectorData2 232，以及該等資料線PortDatal 202以及PortData2 204會被耦接至該USB介面的一相對應上游埠，其中，該USB介面則是被耦接至汽車內部中連接至一USB主機的一下游埠的USB線路。
一過電壓事件(例如，一汽車電池的一12V電位暫時地與一USB線發生短路)可能會對線以及相對應的埠造成永久的傷害，因此，確實需要一種對於該等介面連接的保護方法，舉例而言，在USB車嵌式(in-dash)插座處，也就是插接USB周邊裝置的地方，就可能會需要過電壓保護，而如此的一裝置，亦即，保護電路210，則顯示於圖2中，且將對其進行簡短的更進一步詳細敘述。另外，在該USB主機下游埠以及安排至該車嵌式USB插座的該等USB線路之間的介面，也需要類似的過電壓保護，而這些則在此皆未顯示，但其與圖2中所繪製者有類似的拓樸。
由於不同的電特性，該過電壓保護方法在該等VBUS與接地線以及該等資料線之間可能不同，舉例而言，對於VBUS線的保護可以比對於該二資料線的保護簡單，其中，已被使用且為此領域中具通常知識者所熟知的方法中包括了一二極體橋接(例如，橋接220)，包含用於過電壓偵測和校正的一電壓參考以及一比較器的一積體電路，以及一用於靜電釋放(ESD，electrostatic discharge)校正的區塊電容器(例如，電容器226)，類似地，可能發生接地線的短路，或是在連接至該USB埠的該周邊裝置內部的一過電流情況，然而，已經有許多可取得的保護裝置，其會在需要的時候提供電流限制以及缺陷報告給一控制器。
但由於480Mbits/sec高速(HS)資料率的USB 2.0規範，該等資料線的保護可能較為困難。在此速度下，電路板的電容以及電感，連接器，以及任何額外的電路系統都會變得相當關鍵(critical)，而這些高頻電容與電感效應則是使得提供讓訊號衰減最小化的低電容、關於電湧浪與瞬變的快速反應、以及讓空間受限模組(space-constrained modules)的覆蓋面積最小化的小包裝等全都變得困難，此外，為了滿足在USB 2.0規範中所定義的測試點2以及3，一過電壓保護電路的輸出則是需要符合一相對應眼狀圖(eye pattern diagram)的上升和下降時間，訊號位準，以及脈衝偏離(pulse skew)，其中，該眼狀圖(可利用示波器進行顯示與測量)是長久以來診斷在數位通訊系統中毀壞串列資料的完整性問題的主要工具。
保護一USB IC埠(例如，在圖2中的PortData1 202以及PortData2 204)的一種方法是，將一可變電阻裝置分別併入該USB IC埠以及一外部USB連接器(例如，ConnectorData1 230以及ConnectorData2 232)之間，在一實施例中，該保護裝置是受到一過電壓偵測器控制的一快速開關(quick switch，Q-Switch)(例如，一MOSFET電晶體)，而在一過電壓事件期間，該偵測器則是會放開該Q-開關。
在一實施例中，一NMOS電晶體被使用作為一Q-開關，且其閘極終端被使用作為一臨界值偵測器(threshold detector)，類似於簡單的Q-開關位準轉換應用程式(Q-Switch level translation applications)，當在節點A、或節點B上的電壓位準到達圖2中電晶體216的臨界電壓時，電晶體216會進入一開啟(ON)狀態，在一實施例中，會在汲極與源極終端之間提供一低串接電阻(low series resistance)，例如，1至2歐姆，且此低串接電阻值會明顯地小於耦接至節點A的傳輸線的阻抗，舉例而言，此傳輸線可以具有一90歐姆的電阻，而電晶體216則是提供僅為此數值之2.2%的一低串接電阻。
請再次參閱圖2中的nmos電晶體216，若是在該等USB線230以及202上的電壓位準保持在Vline=Vdd-Vgs、或Vline=5V-Vgs之下，則電晶體216、或該Q-開關就會處於一開啟(ON)狀態，據此，電晶體216就能夠在二個方向上傳輸USB訊號，另外，若是在線230上的訊號位準上升至該數值Vout之上，則電晶體216會切換為打開(open)狀態，或是一關閉(OFF)狀態，並具有一高串接電阻，如此結果是，在線202上的電壓無法超過Vdd的位準(或是5V)，此外，若電晶體216具有一低的閘極至源極臨界電壓位準(gate-to-source threshold voltage level)，例如，低於1.5V至1.8V的範圍，則保護電路210就能夠傳輸低速(LS)及全速(FS)USB訊號位準。
為了傳輸包括一480Mbits/sec資料率的高速(HS)USB訊號位準，對於該Q-開關、或電晶體216的參數會有幾個限制，第一，電晶體216應該在開啟(ON)狀態下具有一低串接電阻(汲極至源極)值，第二，電晶體216應該在開啟(ON)狀態下僅導入一小的對地電容值(capacitance-to-ground value)，而此二個狀況則是在HS模式下要維持USB傳輸的訊號完整性所必須者，在一實施例中，該必要參數範圍可以是1至2歐姆的低串接電阻，以及一最大10至20微微法拉(pF，picoFarads)的接地電容，此外，這些參數限制將可幫助電晶體216足夠快速地切換至一關閉(OFF)狀態，因而使得耦接至線202以及204的該等受保護的USB埠，不會暴露至關聯於該短路事件的高電壓振鈴(high-voltage ringing)。
正如在圖2中所見，電晶體216的汲極以及源極終端會繞過(bypass)一串接RC鏈，電阻器212，以及電容器214，因而可以在一感應高電流源存在下，防止電路在該開關被放開、或是切換至一關閉(OFF)狀態時遭受過量的振鈴(ringing)，在一實施例中，可利用一22ohm電阻器212以及一10nF電容器214來抑制振鈴。
為了最小化電晶體216的實際寄生閘極和汲極電容(parasitic gate and drain capacitance)的負載效應(loading effect)，電阻器218會被併入保護電路210之中，所以，該USB訊號路徑會自線230到電晶體218再到線202，或反之亦然，這是因為USB訊號路徑是雙向的，另外，在沒有電阻器218的情形下，該USB訊號路徑可以通過電晶體218的該等寄生電容而與電晶體218的該閘極終端、或VBUS發生短路，舉例而言，電晶體216具有一閘極至汲極寄生電容(Cgd)位於線230以及該閘極終端之間，同樣地，電晶體218具有一閘極至源極寄生電容(Cgs)位於線202以及該閘極終端之間，在此，由於電晶體216是一對稱裝置以及該USB訊號路徑是雙向的，因此，用語可以交換，若電晶體216在開啟(ON)狀態下具有一低的汲極至源極串接電阻(Rds)(例如，1至2ohms)，則二個寄生電容(Cgd以及Cgs)會在該閘極終端以及該USB訊號路徑之間呈現彼此並聯。
一電容器可以簡單地通過高頻並顯現為對非常高頻率的一虛擬短路。歐姆定律適用於電抗，並且，跨過一電容器的均方根(rms，root mean square)電流與電壓的關係是Vrms=Xc*Irms，因此，一電容器的電抗Xc(類似於電阻，是以歐姆作為測量單位)在C法拉的電容對頻率f赫茲的電流的情況下為Xc(f)=1/(2*pi*f*C)，其中，該電容電抗是取決於頻率，因此電壓與電流同樣會隨著頻率變化，再者，一電容器會提供無限的電抗至一DC訊號，以及幾近0電抗至一非常高頻的訊號。
舉例而言，一般來說，在具有1ohm Rds數值並可在終端維持一20V電位的一現今電晶體(例如，保護電路210的電晶體216)中，通常Cgs以及Cgd的每一個都會介於25pF至50pF的範圍，而當Cgs以及Cgd的這些高寄生電容數值與一高頻訊號(例如，一480Mbits/s高速USB訊號)相結合時，將會產生從該USB訊號路徑至電晶體216的該閘極終端的一低電抗，在此實例中，該電容電抗將會是Xc=1/(2*pi*480MHz*50pF)=6.6ohms，相較之下，USB線的傳輸線阻抗通常為90Ohms，因此，由於此小的6.6ohms阻抗而導致USB訊號路徑與閘極終端產生短路的結果，將會破壞該USB訊號路徑的訊號完整性以及一USB-IF高速眼狀圖測試，另外，若選擇一具有非常低寄生電容的電晶體時，則其將會具有一較大的不可接受Rds值，而其他的USB測試也將會失敗。
然而，由於在保護電路210中插入了電阻器218，並且因為電阻器218是與該等電容Cgd以及Cgs串聯，因此，所提出實例的該6.6ohms阻抗就可以增加到高於該USB線阻抗值，舉例而言，若所選擇的電阻器218具有一電阻值330ohms，則該電容電抗與電阻器218的結果阻抗就會是6.6ohms+330ohms=336.6ohms，或者是大大高於90ohm USB線的一數值，在此例子中，該結果阻抗是該傳輸線阻抗的三倍以上，因此，分路效應(shunting effect)現在就會變得相當的小，所以，該USB線的訊號完整性以及該USB-IF眼狀圖測試兩者都可以獲得滿足。
圖3舉例說明一種對於連接至一高電壓系統的一資料匯流排介面的過電壓保護方法300。此領域中具通常知識者可以對方法300進行修正，以衍生出其他替代的實施例，同樣地，雖然在此實施例中的步驟是以接續順序的方式顯示，但某些步驟的發生可以依照不同的順序，某些步驟可以同時執行，某些步驟可以與其他步驟結合，以及某些步驟可以不出現在其他的實施例中。在所顯示的實施例中，在方塊302中，一高電壓系統會被充電，並執行應用程式，在一實施例中，該高電壓系統是一車用資訊娛樂系統，且其具有一或多個於較低電壓操作的USB埠。
在方塊304中，該系統中的一保護開關會在一開啟(ON)狀態下操作，同時並在一高速(HS)資料率模式下維持訊號完整性，在一實施例中，該保護開關是一nmos電晶體(例如，保護電路210的電晶體216)，以將一USB積體電路(IC)埠連接至一周邊裝置的一外部連接器，此時，若是一過電壓事件發生，例如，USB線路與一車用電池的一高電位發生短路(條件方塊306)，則在方塊308中，該保護開關會快速地關閉，以避免對於一USB IC埠的傷害，舉例而言，一束線(wire-harness)可能意外地在組裝期間穿入，並接著造成該車用12V電池與一資訊娛樂系統中所使用的USB線路間的短路，則一個如保護電路210的電路就可以在保護USB IC埠的同時，仍然遵循於LS、FS、及HS模式下的USB-IF眼狀圖測試。
雖然上述的實施例是以相當詳細的方式敘述，對此領域中具通常知識者而言，在通盤考慮上述揭示後，將可對很容易的其進行各種改變以及修飾，因此，本發明是以接下來申請專利範圍的解釋來囊括所有的這些改變以及修飾。
100．．．計算系統
110．．．處理節點
112．．．記憶體子系統
114．．．處理單元
120．．．系統匯流排
130．．．USB主機
132．．．USB集線器核心
140．．．介面邏輯
150a．．．USB周邊裝置
150d．．．USB周邊裝置
200．．．資料匯流排介面
202．．．PortData1
204．．．PortData2
210a．．．保護電路
210b．．．保護電路
212．．．電阻器
214．．．電容器
216．．．電晶體
218．．．電阻器
220．．．橋接
226．．．電容器
230．．．ConnectorData1
232．．．ConnectorData2
圖1：其是一廣義方塊圖，以舉例說明利用多個周邊裝置的一計算系統的一實施例；
圖2：其是一廣義方塊圖，以舉例說明具有一過電壓保護電路的一資料匯流介面的一實施例；以及
圖3：其是一流程圖，以舉例說明一種為連接至一高電壓系統的資料匯流介面提供過電壓保護的方法的一實施例。
(無元件符號說明)

Claims (20)

  1. 一種過電壓保護電路，包括：一第一節點，被建構以接收一訊號；一第二節點；耦接至一電源供應器參考的一第三節點；以及一切換電路，被建構以：連接該第一節點及該第二節點，以回應偵測於該第一節點或該第二節點上之一訊號到達一第一臨界電壓，其中在該第一節點以及該第二節點之間的一串聯連接阻抗少於該第一節點上一傳輸線阻抗的之百分之五；經由該串聯連接阻抗傳輸該訊號；以及將該第一節點及該第二節點從彼此斷開，以回應偵測該訊號到達一高出該電源供應器參考的第二臨界電壓。
  2. 如請求項1之過電壓保護電路，其中該切換電路包含僅一個nmos電晶體，其具有耦接至該第一節點的一汲極終端，以及耦接至該第二節點的一源極終端，其中該第一節點及該第二節點之每一者傳輸雙向訊號。
  3. 如請求項2之過電壓保護電路，其中該訊號之一頻率及該nmos電晶體一等效寄生閘極電容之一組合產生一閘極電容電抗，其少於該第一節點上該傳輸線阻抗的之百分之二十。
  4. 如請求項3之過電壓保護電路，其中，該切換電路更包括一串接電阻器，位在該nmos電晶體的一閘極終端以及 該第三節點之間，其中，該串接電阻器具有一阻抗，其至少是在該第一節點上的該傳輸線阻抗的三倍以上以阻止當該nmos電晶體在一開啟狀態時傳輸訊號經由該閘極電容電抗至該第三節點電短路。
  5. 如請求項4之過電壓保護電路，其中一串聯連接至接地的電容少於一寄生電容。
  6. 如請求項5之過電壓保護電路，其中，該切換電路更被建構以通過位在該第一節點以及該第二節點之間的一串接電阻器-電容器鏈，而在該斷開期間抑制訊號振鈴。
  7. 如請求項5之過電壓保護電路，其中該訊號是一通用串列匯流排(USB)高速模式訊號。
  8. 如請求項5之過電壓保護電路，其中，該訊號是一串列匯流排通訊訊號。
  9. 一種用以提供過電壓保護的介面系統，包括：一或多個輸入埠，其中每一個皆被建構以接收一訊號，且每一個輸入埠皆被耦接至一相對應的輸出埠；一電源供應器參考；用於每一個輸入埠的一過電壓保護電路，包括耦接至一相對應輸入埠的一第一節點、耦接至一相對應輸出埠的一第二節點以及一耦接至該電源供應器參考的一第三節點；以及其中，該過保護電路被建構以：連接該第一節點及該第二節點，以回應偵測於該第一節點或該第二節點上之一訊號到達一第一臨界電 壓，其中在該第一節點以及該第二節點之間的一串聯連接阻抗少於該第一節點上一傳輸線阻抗的之百分之五；經由該串聯連接阻抗傳輸該訊號；以及將該第一節點及該第二節點從彼此斷開，以回應偵測該訊號到達一高出該電源供應器參考的第二臨界電壓。
  10. 如請求項9之介面系統，其中該過保護電路包含僅一個nmos電晶體，其具有耦接至該第一節點的一汲極終端，以及耦接至該第二節點的一源極終端，其中每個該第一節點及該第二節點傳輸雙向訊號。
  11. 如請求項9之介面系統，其中該訊號之一頻率及該nmos電晶體一等效寄生閘極電容之一組合產生一閘極電容電抗，其少於該第一節點上該傳輸線阻抗的之百分之二十。
  12. 如請求項11之介面系統，其中，該過電壓保護電路更包括一串接電阻器，位在該nmos電晶體的一閘極終端以及該第三節點之間，其中，該串接電阻器具有一阻抗，其至少是在該第一節點上的該傳輸線阻抗的三倍以上以阻止當該nmos電晶體在一開啟狀態時傳輸訊號經由該閘極電容電抗至該第三節點電短路。
  13. 如請求項12之介面系統，其中一串聯連接至接地的電容少於一寄生電容。
  14. 如請求項13之介面系統，其中，該過電壓保護電路更被 建構以通過位在該第一節點以及該第二節點之間的一串接電阻器-電容器鏈，而在該斷開期間抑制訊號振鈴。
  15. 如請求項13之介面系統，其中該訊號是一通用串列匯流排(USB)高速模式訊號。
  16. 如請求項13之介面系統，其中，該訊號是一串列匯流排通訊訊號。
  17. 一種在一資料匯流介面中的過電壓保護方法，包括下列步驟：在一第一節點上接收一訊號；連接該第一節點及一第二節點，以回應偵測於該第一節點或該第二節點上之一訊號到達一第一臨界電壓，其中在該第一節點以及該第二節點之間的一串聯連接阻抗少於該第一節點上一傳輸線阻抗的之百分之五；經由該串聯連接阻抗傳輸該訊號；以及將該第一節點及該第二節點從彼此斷開，以回應偵測該訊號到達一高出該電源供應器參考的第二臨界電壓。
  18. 如請求項17之方法，其中該傳輸該訊號使用僅一個nmos電晶體，其具有耦接至該第一節點的一汲極終端，以及耦接至該第二節點的一源極終端，其中該第一節點及該第二節點之每一者傳輸雙向訊號。
  19. 如請求項18之方法，其中該訊號之一頻率及該nmos電晶體一等效寄生閘極電容之一組合產生一閘極電容電抗，其少於該第一節點上該傳輸線阻抗的之百分之二十。
  20. 如請求項19之方法，其更包括位在該nmos電晶體的一閘 極終端以及該第三節點之間的一串接電阻器，其中，該串接電阻器具有一阻抗，其至少是該傳輸線阻抗的三倍以上以阻止當該nmos電晶體在一開啟狀態時傳輸訊號經由該閘極電容電抗至該第三節點電短路。
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