串行通信中的電隔離的制作方法
【專利摘要】一種電子電路包括第一通信接口和第二通信接口以及隔離電路。所述第一通信接口和所述第二通信接口是USB 3兼容的。所述隔離電路在所述第一通信接口與所述第二通信接口之間，并與所有USB 3通信模式兼容。
【專利說明】串行通信中的電隔離
[0001]相關申請案的交叉引用
[0002]本專利申請要求在2014年10月3日提交的美國臨時專利62/059,696的優先權并且還要求在2014年I月7日提交的美國臨時專利號61/924，277的優先權;其中的二者出于所有目的以引用的方式特此并入。
【背景技術】
[0003]當電子裝置彼此通信時，對電子裝置的電或電流隔離通常對減小或消除通信流(communicat1n stream)中的噪聲或防止任一電子裝置由于來自其他電子裝置的電壓尖峰造成的故障或損壞是必要的。因此，需要將隔離電路提供在電子裝置之間的通信路徑內。已經為了各種應用程序形成各種類型隔離電路。除了各種其他數字隔離解決方案之外，這種隔離電路可涉及電容、電感或光學隔離技術。一種示例電容隔離解決方案提供在WIPO專利申請W0/2012/065229A1(2012年5月24日公開)中，其轉讓給與本發明相同的受讓人，并且以引用的方式并入本文，如同在本文中完全闡明那樣。
[0004]在電子裝置之間的通信的一些實例由各種通用串行總線(USB)標準以及許多其他標準定義。用于USB 2通信的示例隔離電路提供在WIPO專利申請W0/2012/159168A1(2012年11月29日公開)中，其轉讓給與本發明相同的受讓人，并且以引用的方式并入本文，如同在本文中完全闡明那樣。
【發明內容】
[0005]本發明的一些實施方案實現對與USB3標準所定義的所有通信節點兼容的電子裝置的隔離。另外，一些實施方案與USB 2標準是向后兼容的。此外，在一些實施方案中，通過電容隔離解決方案提供所述隔離。
[0006]本發明的一些實施方案實現在兩個不同通信頻率等級下操作的電子裝置之間的隔離。例如，在一些實施方案中，隔離電路可以在1Mbps和5Gbps通信頻率兩者下操作。
【附圖說明】
[0007]圖1是結合本發明的至少一個實施方案的一種電子系統的簡化示意圖示。
[0008]圖2是結合本發明的至少一個實施方案的另一電子系統的簡化示意圖示。
[0009]圖3是根據本發明的實施方案的用于圖1所示電子系統中的USB3隔離電路的簡化示意圖示。
【具體實施方式】
[0010]電子系統100根據本發明的一些實施方案在圖1中示出。電子系統100—般包括連接在兩個USB 3裝置102和103之間的USB 3接口電路101WSB3接口電路一般利用兩個USB 3裝置102和103之間的隔離保護來實現所有模式的USB 2和3通信。兩個USB 3裝置102和103可為與USB 3標準兼容的任何適當電子裝置。
[0011]USB 2標準從早期USB I標準中演進而來，并且一般需要在USB 2兼容的裝置之間、處于約1.5Mbps (低速)、12Mbps (全速)和480Mbps (高速)的速率或頻率下的通信模式。這些通信模式在兩條雙向通信電路上提供。兩條另外線路提供用于在主機USB 2裝置與不具有獨立電源的附接的非主機USB 2裝置之間的供電和接地。
[0012]在一方面，USB3標準(參考版本3.0和3.1)—般需要在USB 3兼容的裝置之間、處于約5Gbps或1Gbps(超高速)的速度或頻率下的通信模式。這些通信模式提供在四條低電壓差分信令(LVDS)單向通信線路上，一個LVDS線路對在一個方向上，每條線路處于約4.8Gbps(在其許多描述中，其舍入到5Gbps)。因此，每一LVDS對在一個方向上提供約5Gbps的通信。四條單向通信線路允許同時5-lOGbps信令逆流和順流。四條單向通信線路被已知為超高速型接口。另外，在USB 2或USB I裝置被連接到USB 3裝置的情況下，USB 3標準還進一步需要與USB 2標準的向后兼容。因此，USB 2裝置的兩條雙向線路以及供電和接地線路還與四條超高速型單向線路一起包括在USB 3裝置中。
[0013]兩條雙向線路USB 2線路(104和105)以及四條單向USB 3線路(106-109)在圖1中示為處于USB 3接口電路101的每側上。為了簡單起見，供電和接地線路未示出。
[0014]USB 3接口電路101—般包括用于USB 2通信路徑110和USB 3通信路徑111的電路。因此，圖1示出USB 3隔離功能在概念上分解成兩個子功能，即雙向USB 2信號接口(USB 2通信路徑110)隔離和單向USB 3超高速型接口(USB 3通信線路111)隔離。兩條雙向USB 2線路104和105通過USB2通信路徑110連接。四條單向USB 3線路106-109通過USB 3通信路徑111連接。
[0015]由于USB2或USB I裝置可連接到USB 3裝置102或103中的任一裝置，因此USB 3標準需要逐步列舉過程以便以兩個裝置的可能最高速度來在任何兩個USB裝置(低速、全速或超高速)之間建立連接。在一些實施方案，USB裝置自動地識別和仲裁通信模式。根據這個過程，當USB 3裝置已檢測到存在另一USB裝置(術語任何標準)時，USB 3裝置將首先會嘗試通過兩條雙向USB 2線路(例如，104和105)以低速或全速進行連接。如果在全速下建立通信，那么USB 3裝置還進一步嘗試通過兩條雙向USB 2線路(例如，104和105)在高速下建立通信。如果另一USB裝置無法實現更高速度，那么嘗試將會失敗，并且USB 3裝置將恢復為全速通信模式來與這個USB裝置通信，并且USB 3裝置將永遠達不到激活四條單向USB 3線路(例如，106-109)的點。然而，如果高速通信成功，那么通信在這個速度下建立。
[0016]目前為止，列舉過程與USB2裝置的列舉過程類似，并且尚未涉及四條單向USB 3線路(例如，106-109)。因此，USB 2裝置將會停止嘗試此時增加通信速度，因為它已經到達其可能最大速度。另一方面，如果在四條單向USB 3線路(例如，106-109)上檢測到了裝置，那么USB 3裝置將進一步嘗試達超高速。然而，這個步驟未直接地達到5Gbps速率。相反，USB3裝置首先使用通過USB 2部分來交換的特殊信息序列，嘗試通過四條單向USB 3線路(例如，106-109)建立更慢速率通信(約10Mbps)。如果通過USB 2部分來交換的特殊信息序列無法指示所附接的USB裝置與USB 3標準兼容，那么USB 3裝置恢復兩條雙向USB 2線路(例如，104和105)上的高速通信模式，以便進一步與其他USB裝置通信。然而，如果通過USB 2部分來交換的特殊信息序列指示所附接的USB裝置與USB 3標準兼容，那么USB 3裝置通過四條單向USB 3線路(例如，106-109)建立通信。在更慢速率連接成功后，USB 3裝置就會在四條單向USB 3線路(例如，106-109)上最終達到超高速的通信速率。
[0017]如從以上列舉過程可見，合適USB 3標準設計解決方案必須包括合適USB 2標準解決方案，以便進入超高速的通信模式。類似地，就需要隔離保護的USB 3解決方案而言，總設計的USB 2部分還必須對所有通信模式提供隔離保護。另外，不可接收的噪聲或電壓尖峰可以通過USB 2部分在兩個USB3裝置之間傳輸。因此，用于USB 2通信路徑110的電路一般包括USB 2隔離電路或芯片112，并且用于USB 3通信路徑111的電路一般包括USB 3隔離電路113。在物理層級上，USB 3超高速型接口部分可視為與標準USB 2接口部分互補但獨立的。
[0018]在一些實施方案中，先前所提到的WIPO專利申請W0/2012/159168A1(公布于2012年11月29日)中示出的電路可以用于USB 2通信路徑110，包括USB 2隔離電路112。其他實施方案可以使用用于在USB 2通信路徑110中實現隔離保護的其他適當電路。在一些實施方案中，USB 2通信路徑110或USB 2隔離電路112可以代表IC封裝內的單個裸片或多個裸片，并且可以采用數字隔離器(例如電容、電感、光學、巨磁電阻(GMR))中使用的任何電流隔離方法。
[0019]另外，在一些實施方案中，先前所提到的WIPO專利申請W0/2012/065229A1(公布于2012年5月24日)中示出的電路可以用于在適當時或在隔離器芯片的內部使用單個裸片的任何情況下提供隔離。例如，可以使用能夠提供所需電流隔離的任何厚的介電基板。實例為SOS、SO1、翻轉(層轉移)SOI等。這個專利申請中公開的其他元件(諸如內部ESD保護、破碎的密封環等等)也可適用。
[0020]在一些實施方案中，除了USB 3隔離電路113之外，用于USB 3通信路徑111的電路一般包括一個或多個超高速中繼器或再驅動器(redriverHH和115。超高速中繼器114和115連接在USB 3隔離電路113與四條單向USB3線路106-109之間，位于USB 3隔離電路113的任一側。因此，超高速中繼器114和115用作USB 3兼容的通信接口。另外，雖然超高速中繼器114和115以及USB 3隔離電路113示為通過四條單向線路116-119(類似于四條單向USB 3線路106-109)連接，但應理解，本發明不一定受到如此限制。相反，任何適當的數字和方向均可用于線路116-119，這取決于USB 3隔離電路113的要求。
[0021]超高速中繼器114和115—般在四條單向USB 3線路106-109上、在USB3接口電路101外實現與USB 3標準的兼容。在一些實施方案中，超高速中繼器114和115可為任何適當當前可用超高速中繼器電路(例如，可從美信集成產品公司(Maxim Integrated)商購得的零件編號MAX14972)。在其他實施方案中，超高速中繼器114和115可專門設計成(根據USB 3隔離電路113的要求)在單向USB 3線路106-109上在USB 3隔離電路113與USB 3裝置102和103之間進行對接。
[0022]USB 3隔離電路113可以包括任何適當類型隔離部件。在一些實施方案中，例如，USB 3隔離電路113可以包括電容器組以及使處于包括使單向USB3線路106-109必須能夠完全達到USB 3符合性的兩個頻率(1Mbps和5Gbps)的頻帶的通信信號能夠通過的另外電路部件。在一些實施方案中，USB 3隔離電路113的功能的至少部分可視為類似于雙帶通濾波器功能，其中在兩個期望頻率周圍的相對窄的頻帶內的信號允許通過，并且那兩個頻帶外或之間的任何信號被濾波出。在一些實施方案中，處于兩個頻率中的一個下的信號可顯著地放大(例如，利用高增益放大器)，以便連同處于兩個頻率中的另一頻率下的信號一起通過USB 3隔離電路113。
[0023]超高速中繼器114和115—般被設計成容許串聯式電容器。在USB裝置之間的數據內容一般是DC平衡的，以便確保在任何串聯式電容器上沒有凈DC電壓。在一些實施方案中，這種對串聯式電容器的容許可以用于使用可商購的現成(COTS)部件來將四條單向USB 3超高速型線路106-109隔離。在此類實施方案中，超高速中繼器114和115用于對超高速信號進行緩沖，并將它們施加在高電壓(例如，l_5kV)隔離電容器上。由于僅僅將隔離電容器插入到超高速長電纜或通信路徑中很有可能不起作用，因此超高速中繼器114和115是需要的，這是因為高頻率隔離電容器一般具有的值在10_500pF的范圍內，而一些超高速型線路中使用的串聯式電容器具有約10nF的值。
[0024]用其他隔離元件(例如，變壓器或GMR元件)來替代隔離電容器也不太可能起作用，因為超高速型接口一般與那些元件的電學特性不太兼容。阻抗匹配例如可能是不太實際的。
[0025]在一些實施方案中，USB 3接口電路101代表電路板，并且USB 2通信線路110和USB3通信線路111代表安裝在電路板上的分立IC芯片。在這種情況下，在一些實施方案中，USB2通信線路110可為任何適當可用USB 2隔離解決方案，只要這個解決方案能夠實現對所有USB 2通信模式的隔離保護。在一些實施方案中，USB 2通信線路110或USB 2隔離電路112可以代表IC封裝內的單個裸片或多個裸片，在一些實施方案中，USB 3隔離電路113和USB 3通信路徑111的超高速中繼器114和115可以代表安裝在電路板上的單獨IC芯片，使得在一些實施方案中，USB 3超高速中繼器114和115可為任何適當現成芯片。或者，在為減少成本、大小和功率的一些實施方案中，USB 3通信路徑111可以代表單個獨立芯片(單個裸片或多個裸片)，而非芯片組或現成部件，在一些實施方案，用于通過USB 3通信路徑111的兩個不同方向的部件可以分成不同IC芯片。這是有可能的，因為兩個不同方向超高速型信道之間并不需要特殊定時同步。
[0026]在一些實施方案中，USB 3接口電路101代表多芯片IC封裝，并且USB2和USB 3通信路徑110和111代表安裝在多芯片封裝中的兩個或更多個IC裸片。在這種情況下，在一些實施方案中，USB 2通信路徑110可為任何適當現成USB 2隔離解決方案。另外，USB 3通信路徑111可以代表一個或多個IC裸片，其中一些可為現成可獲得的。
[0027]在一些實施方案中，USB3接口電路101代表單個IC芯片(單個裸片或多個裸片)。在這種情況下，USB 2通信路徑110和USB 3通信路徑111更完整地集成到單個解決方案中，以便成本、大小、性能和功率狀況更佳。
[0028]在一些實施方案中，USB 3超高速中繼器114和115中的一個不包括或是任選的。這個布置在USB 3隔離電路113放在(S卩，利用長度小于1cm的居間電纜或通信線路)主機USB3裝置或所附接的USB 3裝置或USB 3集線器適當的逆流或順流部分附近或它們中時是適當的。
[0029]另一電子系統200根據本發明的一些替代實施方案在圖2中示出。在這種情況下，與先前實施方案中的元件所使用的參考數字相同的參考數字可指可與先前實施方案中的對應元件相同或大體類似的元件。另外，電子系統200—般包括連接在兩個USB 3裝置102和103之間的USB 3接口電路201。除了標準USB供電和接地線路(為了簡單起見而未示出)之外，USB 3接口電路201—般通過兩條雙向USB 2線路104和105和四條單向USB 3線路106-109來連接到USB 3裝置102和103WSB 3接口電路一般利用兩個USB3裝置102和103之間的隔離保護來實現所有模式的USB 2和3通信。兩個USB 3裝置102和103可為與USB 3標準兼容的任何適當電子裝置。
[0030]USB 3接口電路201 —般包括USB 2通信路徑110和USB 3通信路徑202。1^8 2通信路徑110在USB 3裝置102和103之間進行USB 2標準通信，包括上述USB 2標準列舉過程步驟。USB 3通信路徑202—般在USB 3裝置102和103之間進行USB 3標準通信，包括上述后續USB 3標準列舉過程步驟。USB 3通信路徑202—般包括數字隔離器組203以及超高速(LVDS)收發器和SERDES(串聯器/解串器電路)204和205。
[0031]根據圖2的實施方案一般不依賴于如先前實施方案期望的高電壓隔離電容器。相反，超高速收發器和SERDES 204和205用于在數字隔離器組203的逆流和順流側處接收/傳輸超高速信號。數字隔離器組203—般包括多條單向數字隔離器信道。單向數字隔離器信道一般跨超高速收發器和SERDES 204和205之間的隔離屏障傳遞信號內容。由于本領域數字隔離器的電流狀態一般被限制為小于約640Mbps/信道并且可商購的數字隔離器芯片被限制于約150Mbps/信道，因此單條數字隔離器信道一般無法承受整個USB 3標準5-lOGbps數據速率。因此，串聯器-解串器(SERDES)功能可以用于將四條單向USB 3線路106-109上的串聯數據轉換成多條平行線路206上的平行數據，反之依然，在一些實施方案中，這些功能可以集成在超高速收發器和SERDES 204和205(如圖所示)內，或者它們在單獨芯片內。隨后，可將線路206上的平行數據饋送到數字隔離器組203內的與實現整個USB 3標準通信速率所需的一樣多的數字隔離器中。
[0032]在一些實施方案中，USB 3接口電路201代表電路板，并且USB 2通信路徑110和USB3通信路徑202代表安裝在電路板上的IC芯片，在這種情況下，在一些實施方案中，USB 2通信路徑110可為任何適當可用USB 2隔離解決方案，只要這個解決方案能夠實現對所有USB2通信模式的隔離保護。在一些實施方案中，USB 2通信路徑110可以代表封裝內的單個裸片或多個裸片。在一些實施方案中，數字隔離器組203以及USB 3通信路徑202的超高速收發器和SERDES 204和205可以代表安裝在電路板上的單獨IC芯片。或者，在為減少成本、大小和功率的一些實施方案中，USB 3通信路徑202可以表示單個獨立芯片(單個裸片或多個裸片)，而非芯片組或現成部件，在一些實施方案，用于通過USB 3通信路徑202的兩個不同方向的部件可以分成不同IC芯片。這是有可能的，因為兩個不同方向超高速型信道之間并不需要特殊定時同步。
[0033]在一些實施方案中，USB 3接口電路201代表多芯片IC封裝，并且USB2和USB 3通信路徑110和202代表安裝在多芯片封裝中的兩個或更多個IC裸片。在這種情況下，在一些實施方案中，USB 2通信路徑110可為任何適當現成USB 2隔離解決方案。另外，USB 3通信路徑202可以代表一個或多個IC裸片，其中一些可為現成可獲得的。
[0034]在一些實施方案中，USB3接口電路201代表單個IC芯片(單個裸片或多個裸片)，在這種情況下，USB 2通信路徑110和USB 3通信路徑202更完全地集成到單個解決方案中，以使成本、大小、性能和功率狀況更佳。
[0035]可用作圖1中的USB 3隔離電路113的示例USB 3隔離電路300在圖3中示出。用于USB 3隔離電路的其他設計還可用作USB 3隔離電路113。因此，USB 3隔離電路300僅僅出于例示性和解釋性的目的示出。
[0036]在這個實例中，USB3隔離電路300—般包括單向線路116-119內的四條單向隔離電容器301-304以及如所示那樣連接的八個電阻器305-312。隔離電容器301和302的順流節點分別連接在對應電阻器對305/309與306/310之間。隔離電容器303和304的順流節點分別連接在對應電阻器對307/311與308/312之間。電阻器對305/309和306/310連接在第一電壓VDDl與第一接地GNDl之間，位于隔離電容器301和302的第一側(在USB 3超高速中繼器114下游)上。電阻器對307/311和308/312連接在第二電壓VDD2與第二接地GND2之間，位于隔離電容器303和304的第二側(在USB 3超高速中繼器115下游)上。從右到左單向線路116和117分別通過隔離電容器301和302。從左到右單向線路118和119分別通過隔離電容器303和304。
[0037]在一些實施方案中，隔離電容器301-304是具有范圍從4.7nF至10nF的電容值的高電壓(例如，約l_5kV)隔離電容器。在此類實施方案中，隔離電容器301-304具有相對低的ESR(有效串聯電阻)和相對低的ESL(有效串聯電感)以使得能夠在1Mbps和5Gbps兩者下傳遞通信信號。在一些實施方案中，電阻器305-312形成用于改進在USB 3電氣閑置狀態下超高速中繼器114和115(圖1)的接收器輸入端處的差分信號條件的網絡。在此類實施方案中，電阻器305-312—般具有約I %的公差、5ΚΩ或更高的電阻值、以及需要將線路116-119上的信號在超高速中繼器114和115的接收器輸入端處維持處于約IV的值。
[0038]雖然本發明的實施方案已主要針對其具體實施方案進行了論述，但是其他變型是可能的。所描述系統的各種配置可替代本文中呈現的配置來使用，或作為其附加來使用。
[0039]本領域的技術人員將會了解先前描述僅是示例性的，而并不旨在限制本發明。本公開中的任何內容均不應指示本發明受限于要求特定形式半導體處理的系統或受限于集成電路，大體來說，所呈現的任何圖示僅僅旨在指示一種可能配置，并且許多變型是可能的。本領域的技術人員還將了解符合本發明的方法和系統適合用于各種各樣應用程序。
[0040]雖然本說明書已經針對本發明的具體實施方案進行了詳細描述，但將了解本領域的技術人員在理解先前內容后，可輕易地構想這些實施方案的更改、變型和等效物。本發明的這些和其他修改和變型可由本領域的技術人員實踐，而不背離本發明的精神和范圍，其更特定地在所附權利要求中闡明。
【主權項】
1.一種電子電路，其包括: 第一通信接口和第二通信接口，其是USB 3兼容的；以及 隔離電路，其在所述第一通信接口與所述第二通信接口之間； 其中所述隔離電路與所有USB 3通信模式兼容。2.根據權利要求18所述的電子電路，其還包括: 第三通信接口和第四通信接口，其是USB 2兼容的并安裝有所述第一通信接口和所述第二通信接口；以及 第二隔離電路，其在所述第三通信接口與所述第四通信接口之間； 其中所述第二隔離電路與所有USB 2通信模式兼容。3.根據權利要求18所述的電子電路，其中所述隔離電路包括電容隔離部件。4.根據權利要求18所述的電子電路，其中所述電容隔離部件包括: 隔離電容器；以及 電阻器對，其與所述隔離電容器相對應； 其中: 所述隔離電容器在所述第一通信接口與所述第二通信接口之間的單向通信線路內；并且 所述隔離電容器的下游節點連接在所述對應電阻器對到一個或多個VDD電壓節點和一個或多個接地電壓節點之間。5.—種電子電路，其包括: 第一串行通信接口和第二串行通信接口 ；以及 隔離電路，其在所述第一串行通信接口與所述第二串行通信接口之間； 其中所述隔離電路在兩個不同通信頻率等級下操作。6.根據權利要求18所述的電子電路，其中 所述第一串行通信接口和所述第二串行通信接口是USB 3兼容的;并且 所述隔離電路與所有USB 3通信模式兼容。7.根據權利要求6所述的電子電路，其還包括: 第三串行通信接口和第四串行通信接口，其是USB 2兼容的并安裝有所述第一串行通信接口和所述第二串行通信接口；以及 第二隔離電路，其在所述第三串行通信接口與所述第四串行通信接口之間； 其中所述第二隔離電路與所有USB 2通信模式兼容。8.根據權利要求18所述的電子電路，其中所述隔離電路包括電容隔離部件。9.根據權利要求8所述的電子電路，其中所述電容隔離部件包括: 隔離電容器；以及 電阻器對，其與所述隔離電容器相對應； 其中: 所述隔離電容器在所述第一串行通信接口與所述第二串行通信接口之間的單向通信線路內；并且 所述隔離電容器的下游節點連接在所述對應電阻器對到一個或多個VDD電壓節點和一個或多個接地電壓節點之間。10.根據權利要求18所述的電子電路，其中所述兩個不同通信頻率等級中的一個是在約5Gbps。11.根據權利要求18所述的電子電路，其中所述兩個不同通信頻率等級包括約1Mbps的第一通信頻率等級和約5Gbps的第二通信頻率等級。12.一種方法，其包括: 接收在第一頻率下的第一串行通信； 通過隔離電路傳輸所述第一串行通信； 接收在第二頻率下的第二串行通信，所述第二頻率大于所述第一頻率；以及 通過所述隔離電路傳輸所述第二串行通信； 其中所述隔離電路在所述第一頻率和所述第二頻率兩者下提供電流隔離。13.根據權利要求12所述的方法，其中 所述第一串行通信和所述第二串行通信是USB 3兼容的;并且 所述隔離電路與所有USB 3通信模式兼容。14.根據權利要求13所述的方法，其還包括: 接收第三串行通信，其是USB 2兼容的；以及 通過第二隔離電路傳輸所述第三串行通信，所述第二隔離電路與所有USB 2通信模式兼容并安裝有所述第一隔離電路。15.根據權利要求12所述的方法，其中所述隔離電路包括電容隔離部件。16.根據權利要求15所述的方法，其中所述電容隔離部件包括: 隔離電容器；以及 電阻器對，其與所述隔離電容器相對應； 其中: 所述隔離電容器在第一串行通信接口與第二串行通信接口之間的單向通信線路內；并且 所述隔離電容器的下游節點連接在所述對應電阻器對到一個或多個VDD電壓節點和一個或多個接地電壓節點之間。17.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一頻率是在約5Gbps。18.根據權利要求17所述的方法，其中所述第二頻率是在約1Gbps。
【文檔編號】G06F13/14GK106062725SQ201480072549
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年12月19日
【發明人】V.T.貝特里納, Y.V.莫格
【申請人】希拉納集團有限公司