專利名稱：具有先進控制特性的usb隔離器的制作方法
具有先進控制特性的USB隔離器
背景技術：
隔離器是在兩個電流隔離電路系統之間交換數據信號的裝置。這些電路系統每個都以不同的電壓域進行操作，不同的電壓域可以包括不同的源電平和不同的地。隔離裝置可以穿過隔離阻擋(isolation barrier)提供數據交換，保持電流隔離。隔離裝置已經被用于USB通信。這些裝置通常包括USB接收器，其根據USB協議從USB線纜接收數據，以及發送所接收的數據穿過隔離阻擋。盡管USB隔離器允許USB通信穿過隔離阻擋，但是已知的裝置是有限的。例如，沒有已知的USB隔離器執行可控枚舉或充分地傳達上游和下游電路系統之間的狀態。因此，在本領域中存在對具有擴展能力的USB 隔離器的需求。
圖1是根據本發明的實施例的USB隔離系統的方塊圖。圖2是根據本發明的另一實施例的USB隔離系統的方塊圖。圖3示出了傳輸穿過根據本發明的實施例的隔離器的示例性信號。圖4-5示出了適于與本發明的實施例一起使用的隔離系統的電壓調節器的示例性結構。圖6示出了根據本發明的實施例的電壓調節控制系統。圖7是根據本發明的另一實施例的USB隔離系統的方塊圖。圖8是根據本發明的實施例的上游控制器的狀態圖。圖9是根據本發明的實施例的下游控制器的狀態圖。圖10是根據本發明的實施例的隔離發射器的方塊圖。圖11是根據本發明的另一實施例的隔離發射器的方塊圖。圖12示出了根據本發明的一個實施例的隔離發射器的示例性波形。圖13是根據本發明的另一實施例的隔離發射器的方塊圖。
具體實施例方式基于USB的隔離系統在一對電流隔離電路系統之間傳送USB信號，并在上游USB 信號線上支持下游裝置的受控枚舉。隔離系統提供多模式電壓調節器以支持多電壓電源配置。該隔離系統還提供用于每個隔離電路系統的控制系統，以及在各種開始狀態下提供魯棒控制。此外，隔離系統包括刷新定時器和看門狗機制，以支持持續的、省電操作，以及管理能夠在隔離電路系統之間產生的可能的通信錯誤。圖1是根據本發明的實施例的USB隔離系統100的簡化方塊圖。該隔離系統100 可以包括一對USB收發器110. 1、110. 2，多個隔離裝置120. 1-120. 4、140，一對隔離收發器 130. 1-130. 2，以及上游終端電路150以支持通過該隔離器的運行時數據路徑。隔離裝置 120. 1-120.4,140提供穿過隔離阻擋、在兩個電流隔離電路子系統(分別稱作“上游”側和 “下游”側)之間的數據交換。因此，USB收發器110. 1、隔離收發器130. 1以及上游終端電路150連接至與USB收發器110. 2和隔離收發器130. 2的電源和參考地分開的電源和參考地。隔離裝置120. 1-120. 4和140可以設置為微變壓器、光電發射器/檢測器、電容器或巨磁阻(GMR)耦合器。如圖1所示，隔離系統100通過第一 USB總線耦接至上游裝置，以及通過第二 USB 總線耦接至下游裝置。通常，上游裝置可以是USB集線器或USB主機，以及下游裝置可以是特定應用的外圍裝置。下游裝置還可以是USB集線器。在一個應用中，下游裝置和隔離系統100—起設置在共用殼體中的較大的單個裝置(在此被稱作“消費者裝置”中。從操作者的角度，消費者裝置可以通過設置在隔離阻擋的上游側的USB接口連接至上游裝置。在這些消費者裝置應用中，隔離系統100和下游USB接口對于操作者可能是感覺不到的。事實上，隔離系統100和下游裝置之間的USB接口可以設置在印刷電路板上或在集成電路中。USB收發器110. 1、110. 2支持根據USB協議跨連接的差分信號線(UD+/UD-和DD+/ DD-)的雙向數據通信。USB收發器110. 1、110. 2從在USB信號線上傳輸的數據識別各種傳輸狀態，以及將所接收的信號輸出至各個隔離收發器130. 1,130. 2。隔離收發器130. 1、 130. 2支持在隔離裝置120. 1-120. 4上的雙向通信。例如，隔離收發器130. 1、130. 2可以將從相關USB收發器110. 1,110.2接收的信號轉換成用于在隔離裝置120. 1-120. 4上傳輸的格式。隔離收發器130. 1、130. 2還可以將從隔離裝置120. 1-120. 4接收的信號轉換為用于傳輸至相關USB收發器110. 1,110.2的格式。在一個實施例中，系統100將包括兩對單向隔離裝置120. 1-120. 2、120. 3-120. 4，一對支持在下游方向上通信，另一對支持在上游方向上通信。在這樣的情況中，隔離發射單元和隔離接收單元與相應的隔離通道對以成對的關系提供(例如，收發器130. 1中的隔離發射器產生用于通過隔離裝置120. 1-120. 2發射以及被收發器130. 2中的隔離接收器接收的隔離信號)。盡管在圖1中未示出，但是容許使用單對的隔離裝置120. 1-120. 2并雙向操作他們。在該種情況下，隔離收發器130. 1,130. 2的發射單元和接收單元都可以耦接至隔離裝置120. 1-120. 2。發射單元和接收單元在這樣的實施例中將被管理從而以半雙工方式發射數據(例如，一次僅一個方向)，以避免他們自身在隔離裝置120. 1-120. 2處爭用。根據本發明的一個實施例，隔離系統100還可以包括隔離裝置140、發射器142和接收器144、以及終端電路150以支持枚舉控制。終端電路150可以連接至USB線纜可以插入的連接端口。終端電路150可以包括連接至電壓源(V)的一個或多個上拉電阻R，選擇性將上拉電阻連接至上游USB信號線UD+或UD-之一的一對開關152. 1,152. 2。上拉電阻R 的大小可以由采用的USB標準確定(例如用于USB 2.0的UkQ)。上拉電阻R至信號線的連接由開關控制器巧4控制，開關控制器154由在隔離系統100的下游側上接收的“枚舉使能”信號和選擇信號(SEL)控制。該選擇信號可以識別兩個信號線UD+或UD-中哪個將連接至上拉電阻R。枚舉使能信號可以控制定時——何時各個信號線連接至上拉電阻R。如所指出的，枚舉使能信號可以在隔離系統100的下游側上被接收。枚舉使能信號可以從下游外圍裝置(未示出)接收，作為專遞信號；在該種情況下，隔離系統100可以包括外部管腳P1，以接收來自外圍裝置的枚舉使能信號。可選地，枚舉使能信號可以由下游收發器USB 110. 2從在下游USB信號線DD+和DD-上檢測到的活動得到。在圖1的配置中，枚舉使能信號可以通過分開設置的下游發射器142、隔離裝置140和上游接收器144穿過隔離阻擋被發射。其他配置如下所述不需要分開設置的隔離裝置。
如圖1所示，選擇信號SEL可以產生在隔離器的上游側。例如，選擇信號可以通過隔離器100的外部管腳P2被接收，或者可以硬線連接至預定狀態。可替換地，選擇信號可以通過至另一外部管腳(未示出)的輸入、或通過下游收發器USB 110.2從在下游USB信號線DD+和DD-上檢測到的活動進行的推導，被產生在隔離器的下游側。在這樣的情況下， 選擇信號可以與用于在隔離裝置140上傳輸至終端電路150的枚舉信號合并。假設隔離裝置100工作。運行時操作可以在下游外圍裝置被首次開啟或通過上游 USB總線連接至上游裝置時被啟動。期望下游外圍裝置可以進行其本身的引導/自測試程序。因此，這些程序可以定義其開啟的時間到下游外部裝置準備好接收數據的時間之間的一些等待時間。當下游裝置準備好接收數據時，可以聲明(assert)枚舉使能信號至隔離系統 100。枚舉使能信號傳輸通過隔離發射單元142、隔離裝置140和隔離接收單元144。隔離發射單元可以執行信號轉換以調節用于傳輸通過隔離裝置140的信號。隔離接收單元144 可以根據從隔離裝置140接收的信號產生恢復的枚舉使能信號。恢復的枚舉信號被輸出至開關控制邏輯154。開關控制邏輯IM可以在其接收到恢復的枚舉信號時，閉合晶體管開關152. 1、152.2之一(假設，開關152. 2)。將開關閉合使上拉電阻R連接至所選總線(例如，當開關152. 2閉合時，為UD-)，這就發送信號至上游裝置，通知一個裝置被連接，以及應進行枚舉。因此，為隔離系統100中的下游裝置提供了上游枚舉控制。圖2示出了根據本發明的一個實施例的另一隔離系統200。隔離系統200可以包括一對USB收發器210. 1,210. 2，多個隔離裝置220. 1-220. 2，一對隔離收發器230. 1-130. 2， 以及上游終端電路250。隔離裝置220. 1-120. 2提供跨隔離阻擋的兩個電流隔離電路子系統之間的數據交換，兩個電流隔離電路子系統再次分別被稱作“上游”側和“下游”側。因此，USB收發器210. 1，隔離收發器230. 1以及上游終端電路250連接至與USB收發器210. 2 和隔離收發器230. 2的電源和參考地分開的電源和參考地。隔離裝置220. 1-220. 2可以被設置為雙向隔離裝置，例如電容或電感耦合器。在一個示例中，雙向隔離裝置220. 1-220. 2 可以被設置為在集成電路襯底上設置的微變壓器。如圖1中的實施例所示，隔離系統200 可以通過第一 USB總線耦接至上游裝置，以及通過第二 USB總線耦接至下游裝置。USB收發器210. 1,210. 2支持根據USB協議的跨連接的差分信號線(UD+/UD-和 DD+/DD-)的雙向數據通信。USB收發器210. 1,210. 2從在USB信號線上傳輸的數據識別各種傳輸狀態，以及輸出邏輯信號至各個隔離收發器230. 1,230. 2。隔離發射單元232. 1、 232. 2可以將輸入邏輯信號轉換為適于通過隔離裝置220. 1,220. 2傳輸的格式。隔離接收單元234. 1、234. 2可以將從隔離裝置接收的信號轉換為邏輯信號。在圖2中示出的實施例中，隔離收發器230. 1,230. 2支持隔離裝置220. 1,220. 2上的雙向通信。兩個隔離收發器 230. 1,230. 2的發射單元和接收單元被示出為耦接至隔離裝置220. 1,220. 2。隔離收發器 230. 1、230.2以半雙工方式(例如，一次僅一個方向)傳輸數據以避免在隔離裝置220. 1、 220. 2處的爭用。圖2中所示的實施例允許枚舉使能信號和選擇信號SEL“共享”運載USB數據信號的隔離裝置220. 1,220. 2。為了適應該結構，下游隔離收發器230. 2可以包括接受來自USB 收發器230. 2的邏輯信號、枚舉使能信號和選擇信號SEL的信號編碼器236。編碼器236可以產生用于以保持平常運行時間USB數據信號、枚舉使能信號以及選擇信號SEL的狀態的方式通過隔離裝置220. 1,220. 2傳輸信號的模式。上游收發器230. 1可以包括解碼器238 以對由接收單元234. 1恢復的信號進行編碼，以及將運行時間USB信號與枚舉使能信號和選擇信號SEL區別開。解碼器可以將USB信號傳遞至USB收發器210. 1，以及將枚舉使能信號傳遞至終端電路250。當使用微變壓器時，脈沖信號是被傳遞通過隔離阻擋的方便的信號。為了適應圖 2的共享隔離結構，可以使用不同的脈沖波形，例如圖3中所示的那些波形。更多的脈沖波形及其產生方式在2009年3月31日提交的序列號為12/414，756的共同未決申請提供。當使用兩個隔離通道時，脈沖圖形可以以多種方式被組合。表1示出一種可行的配置。在該配置中，至少4種脈沖組合可以被預留以代表可以通過USB運行時間信號承載的信息內容。其他組合可以被用于識別枚舉使能信號的有效或無效，以及所使用的選擇類型。
權利要求
1.一種隔離系統，包括多個隔離裝置，在隔離阻擋的上游側和下游側之間跨接所述隔離阻擋； USB接口，設置在所述隔離阻擋的上游側，包括具有上拉電阻的終端電路； 隔離收發器，將所述USB接口耦接至所述隔離裝置；以及隔離發射器，設置在所述隔離阻擋的下游側以接收枚舉控制信號，其中所述枚舉控制信號傳送通過至少一個所述隔離裝置至所述上游側，并控制在所述終端電路中的所述上拉電阻的切換。
2.根據權利要求1所述的隔離系統，其中為USB協議的每個D+和D-數據信號提供隔離裝置，以及為所述枚舉控制信號提供獨立的隔離裝置。
3.根據權利要求1所述的隔離系統，其中為USB協議的每個D+和D-數據信號提供隔離裝置，以及信號被編碼，從而所述枚舉控制信號能夠與所述D+和D-數據一起傳送通過所述隔離裝置。
4.根據權利要求1所述的隔離系統，其中為USB協議的每個D+和D-數據信號提供隔離裝置，并與所述枚舉控制信號共享隔離裝置。
5.根據權利要求1所述的隔離系統，其中所述隔離裝置是單向隔離裝置。
6.根據權利要求1所述的隔離系統，其中所述隔離裝置是雙向隔離裝置。
7.根據權利要求1所述的隔離系統，還包括用于選擇信號的輸入，所述選擇信號識別 D+和D-數據線中的哪一個被連接至所述上拉電阻。
8.根據權利要求7所述的隔離系統，其中所述輸入設置在所述隔離阻擋的所述上游側。
9.根據權利要求7所述的隔離系統，其中所述輸入設置在所述隔離阻擋的所述下游側。
10.一種多模式電壓調節系統，包括電壓調節器，響應于控制輸入，選擇性地被使能和禁止； 一對電壓監視器，第一電壓監視器耦接至第一輸入處的第一電壓源以及第二輸入處的第一閾值電壓，所述第一電壓源能夠以一對電壓操作，一個電壓高于第二電壓，第二電壓監視器耦接至其第一輸入處的第二電壓源和第二輸入處的第二閾值電壓，所述第二電壓源能夠在所述第二電壓處操作，或能夠被所述電源調節器的輸出驅動操作；控制邏輯，具有一對輸入，各個輸入耦接至各個電壓監視器的輸出，以及具有耦接至所述電壓調節器的所述控制輸入的輸出。
11.根據權利要求10所述的電壓調節器系統，其中當第一電壓監視器表明所述第一電壓源具有高于所述第一閾值電壓的電壓并且所述第二電壓監視器表明所述第二電壓源具有低于所述第二閾值電壓的電壓時，所述控制邏輯使能所述電壓調節器，當第一電壓監視器表明所述第一電壓源具有低于所述第一閾值電壓的電壓并且所述第二電壓監視器表明所述第二電壓源具有高于所述第二閾值電壓的電壓時，所述控制邏輯禁止所述電源調節器。
12.根據權利要求10所述的電壓調節器系統，其中當第一電壓監視器表明所述第一電壓源具有高于所述第一閾值電壓的電壓并且所述第二電壓監視器表明所述第二電壓源具有高于所述第二閾值電壓的電壓時，所述控制邏輯保持所述電壓調節器處于緊接之前的操作狀態。
13.根據權利要求10所述的電壓調節器系統，其中當第一電壓監視器表明所述第一電壓源具有低于所述第一閾值電壓的電壓并且所述第二電壓監視器表明所述第二電壓源具有低于所述第二閾值電壓的電壓時，所述控制邏輯禁止所述電源調節器。
14.根據權利要求10所述的電壓調節器系統，其中所述控制邏輯是鎖存器。
15.一種隔離系統，包括多個隔離裝置，跨接上游電路子系統和下游電路子系統之間的隔離阻擋； 每個所述上游電路子系統和所述下游電路子系統包括USB收發器，具有USB發射器，用于輸出來自所述隔離系統的USB信號，以及USB接收器，用于接收輸入至所述隔離系統的USB信號，隔離收發器，具有發射器，用于輸出隔離信號至所述多個隔離裝置，以及接收器，用于接收來自所述多個隔離裝置的隔離信號，以及子系統控制器，基于從各個子系統的USB收發器和所述隔離收發器接收的信號，管理所述各個子系統的操作狀態。
16.根據權利要求15所述的隔離系統，其中用于所述下游電路子系統的所述控制器根據以下狀態操作復位狀態，在操作錯誤發生時到達復位狀態；下游系統準備就緒狀態，在所述控制器確定所述下游電路子系統沒有處于錯誤狀態之后從復位狀態到達所述下游系統準備就緒狀態；驅動下游路徑狀態，從所述下游系統準備就緒狀態和空閑狀態之一到達所述驅動下游路徑狀態，其中所述控制器使能所述USB發射器以及禁止所述隔離發射器；空閑狀態，從所述驅動下游路徑狀態和驅動上游路徑狀態之一到達所述空閑狀態，其中所述隔離發射器被使能，但是所述USB發射器被禁止；以及驅動上游路徑狀態，從所述空閑狀態到達所述驅動上游路徑狀態，其中所述控制器使能所述隔離發射器以及禁止所述USB發射器。
17.根據權利要求15所述的隔離系統，其中用于所述上游電路子系統的控制器根據以下狀態操作復位狀態，在操作錯誤發生時到達所述復位狀態；空閑狀態，能夠從所述復位狀態、驅動下游路徑狀態和驅動上游路徑狀態到達所述空閑狀態，其中所述隔離發射器被使能，但是所述USB發射器被禁止；驅動下游路徑狀態，能夠從所述空閑狀態到達所述驅動下游路徑狀態，其中所述控制器使能所述隔離發射器以及禁止所述USB發射器；驅動上游路徑狀態，能夠從所述空閑狀態到達所述驅動上游路徑狀態，其中所述控制器使能所述USB發射器以及禁止所述隔離發射器。
18.一種隔離裝置，包括多個隔離裝置，跨接上游電路子系統和下游電路子系統之間的隔離阻擋；每個所述上游電路子系統和所述下游電路子系統包括 USB收發器，用于與各個外部部件交換USB信號，以及隔離收發器，耦接至所述各個USB收發器以在所述USB收發器和所述隔離裝置之間交換信號；其中，對于至少一個電路子系統，所述隔離收發器的發射器包括脈沖產生器和刷新脈沖產生器，用于響應于輸入邏輯信號產生脈沖，并根據刷新間隔重復所產生的脈沖，以及其中對于至少另一個電路子系統，所述隔離收發器的接收器包括看門狗定時器，用于在脈沖在看門狗間隔內被接收到的情況下，將所述接收器維持在接收狀態。
19.根據權利要求18所述的隔離系統，其中所述刷新脈沖產生器在所述隔離收發器響應于所接收的J狀態信號發射脈沖時被禁止。
20.根據權利要求18所述的隔離系統，其中所述隔離收發器的發射器包括 邊緣檢測器，具有用于邏輯信號的輸入，所述脈沖產生器具有耦接至所述邊緣檢測器的輸出的輸入； 刷新電路，包括刷新定時器，具有用于刷新信號的輸入， 所述刷新脈沖產生器接收來自所述刷新定時器的超時指示，以及用于產生所述刷新信號的裝置；以及多路復用器，將來自所述脈沖產生器和所述刷新脈沖產生器的輸出合并。
21.根據權利要求18所述的隔離系統，其中所述隔離收發器的發射器包括 延遲模塊，具有用于邏輯信號的輸入，所述脈沖產生器具有耦接至所述延遲模塊的輸出的輸入， 刷新電路，包括刷新定時器，具有用于刷新信號的輸入，所述刷新脈沖產生器接收來自所述刷新定時器的超時指示，以及用于產生所述刷新信號的裝置；以及多路復用器，將來自所述脈沖產生器和所述刷新脈沖產生器的輸出合并。
22.根據權利要求18所述的隔離系統，其中所述隔離裝置是單向隔離裝置。
23.根據權利要求18所述的隔離系統，其中所述隔離裝置是雙向隔離裝置。
24.根據權利要求18所述的隔離系統，還包括終端電路，耦接至所述上游USB收發器， 其具有選擇性連接至一對USB差分信號線之一的至少一個上拉電阻。
25.根據權利要求M所述的隔離系統，還包括在所述下游電路子系統處用于枚舉使能控制信號的輸入，其確定何時所述上拉電阻連接至所述USB差分信號線之一，以及通信路徑，從所述枚舉使能輸入延伸通過隔離裝置至所述終端電路。
26.根據權利要求M所述的隔離系統，還包括用于選擇控制信號的輸入，其確定哪個 USB差分信號線被連接至所述上拉電阻。
全文摘要
基于USB的隔離系統在一對電流隔離電路系統之間傳輸USB信號，并支持在上游USB信號線上由下游裝置控制的枚舉。隔離系統提供多模式電壓調節器來支持多電源電壓配置。該隔離系統還提供用于每個隔離電路系統的控制系統，并提供在多個啟動條件下的魯棒控制。此外，隔離系統包括刷新定時器和看門狗機制，以支持持續的操作，還管理在隔離的電路系統之間產生的可能的通信故障。
文檔編號G06F13/14GK102422273SQ201080020594
公開日2012年4月18日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月30日
發明者E·格拉斯, M·坎特瑞爾 申請人:美國亞德諾半導體公司