具有先进控制特性的usb隔离器的制造方法
【专利摘要】基于USB的隔离系统在一对电流隔离电路系统之间传输USB信号，并支持在上游USB信号线上由下游装置控制的枚举。隔离系统提供多模式电压调节器来支持多电源电压配置。该隔离系统还提供用于每个隔离电路系统的控制系统，并提供在多个启动条件下的鲁棒控制。此外，隔离系统包括刷新定时器和看门狗机制，以支持持续的操作，还管理在隔离的电路系统之间产生的可能的通信故障。
【专利说明】具有先进控制特性的USB隔离器
[0001] 本申请是 优先权日:（最早的）为2009年3月30日、国际申请日为2010年3月26 日、申请号为201080020594. 2,发明名称为"具有先进控制特性的USB隔离器"发明专利申 请的分案申请。
【背景技术】
[0002] 隔离器是在两个电流隔离电路系统之间交换数据信号的装置。该些电路系统每个 都W不同的电压域进行操作，不同的电压域可W包括不同的源电平和不同的地。隔离装置 可W穿过隔离阻挡（isolation barrier)提供数据交换，保持电流隔离。
[0003] 隔离装置已经被用于USB通信。该些装置通常包括USB接收器，其根据USB协议 从USB线缆接收数据，W及发送所接收的数据穿过隔离阻挡。尽管USB隔离器允许USB通 信穿过隔离阻挡，但是已知的装置是有限的。例如，没有已知的USB隔离器执行可控枚举或 充分地传达上游和下游电路系统之间的状态。因此，在本领域中存在对具有扩展能力的USB 隔离器的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0004] 图1是根据本发明的实施例的USB隔离系统的方块图。
[0005] 图2是根据本发明的另一实施例的USB隔离系统的方块图。
[0006] 图3示出了传输穿过根据本发明的实施例的隔离器的示例性信号。
[0007] 图4-5示出了适于与本发明的实施例一起使用的隔离系统的电压调节器的示例 性结构。
[0008] 图6示出了根据本发明的实施例的电压调节控制系统。
[0009] 图7是根据本发明的另一实施例的USB隔离系统的方块图。
[0010] 图8是根据本发明的实施例的上游控制器的状态图。
[0011] 图9是根据本发明的实施例的下游控制器的状态图。
[0012] 图10是根据本发明的实施例的隔离发射器的方块图。
[0013] 图11是根据本发明的另一实施例的隔离发射器的方块图。
[0014] 图12示出了根据本发明的一个实施例的隔离发射器的示例性波形。
[0015] 图13是根据本发明的另一实施例的隔离发射器的方块图。
【具体实施方式】
[0016] 基于USB的隔离系统在一对电流隔离电路系统之间传送USB信号，并在上游USB 信号线上支持下游装置的受控枚举。隔离系统提供多模式电压调节器W支持多电压电源配 置。该隔离系统还提供用于每个隔离电路系统的控制系统，W及在各种开始状态下提供鲁 棒控制。此外，隔离系统包括刷新定时器和看口狗机制，W支持持续的、省电操作，W及管理 能够在隔离电路系统之间产生的可能的通信错误。
[0017] 图1是根据本发明的实施例的USB隔离系统100的简化方块图。该隔离系统100 可W包括一对USB收发器110. 1、110. 2,多个隔离装置120. 1-120. 4、140, 一对隔离收发器 130. 1-130. 2, W及上游终端电路150 W支持通过该隔离器的运行时数据路径。隔离装置 120. 1-120. 4、140提供穿过隔离阻挡、在两个电流隔离电路子系统（分别称作"上游"侧和 "下游"侧）之间的数据交换。因此，USB收发器110. 1、隔离收发器130. 1 W及上游终端电 路150连接至与USB收发器110. 2和隔离收发器130. 2的电源和参考地分开的电源和参考 地。隔离装置120. 1-120. 4和140可W设置为微变压器、光电发射器/检测器、电容器或巨 磁阻佑MR)禪合器。
[0018] 如图1所示，隔离系统100通过第一 USB总线禪接至上游装置，W及通过第二USB 总线禪接至下游装置。通常，上游装置可W是USB集线器或USB主机，W及下游装置可W是 特定应用的外围装置。下游装置还可W是USB集线器。在一个应用中，下游装置和隔离系 统100-起设置在共用壳体中的较大的单个装置（在此被称作"消费者装置"中。从操作 者的角度，消费者装置可W通过设置在隔离阻挡的上游侧的USB接口连接至上游装置。在 该些消费者装置应用中，隔离系统100和下游USB接口对于操作者可能是感觉不到的。事 实上，隔离系统100和下游装置之间的USB接口可W设置在印刷电路板上或在集成电路中。
[0019] USB收发器110. 1、110. 2支持根据USB协议跨连接的差分信号线扣D+/UD-和孤+/ DD-)的双向数据通信。USB收发器110. 1、110. 2从在USB信号线上传输的数据识别各种 传输状态，W及将所接收的信号输出至各个隔离收发器130. 1、130. 2。隔离收发器130. 1、 130. 2支持在隔离装置120. 1-120. 4上的双向通信。例如，隔离收发器130. 1、130. 2可W将 从相关USB收发器110. U110.2接收的信号转换成用于在隔离装置120. 1-120.4上传输的 格式。隔离收发器130. 1、130. 2还可W将从隔离装置120. 1-120. 4接收的信号转换为用于 传输至相关USB收发器110. 1、110. 2的格式。在一个实施例中，系统100将包括两对单向 隔离装置120. 1-120. 2、120. 3-120. 4, 一对支持在下游方向上通信，另一对支持在上游方向 上通信。在该样的情况中，隔离发射单元和隔离接收单元与相应的隔离通道对W成对的关 系提供（例如，收发器130. 1中的隔离发射器产生用于通过隔离装置120. 1-120. 2发射W 及被收发器130. 2中的隔离接收器接收的隔离信号）。
[0020] 尽管在图1中未示出，但是容许使用单对的隔离装置120. 1-120. 2并双向操作他 们。在该种情况下，隔离收发器130. 1、130. 2的发射单元和接收单元都可W禪接至隔离装 置120. 1-120. 2。发射单元和接收单元在该样的实施例中将被管理从而W半双工方式发射 数据（例如，一次仅一个方向），W避免他们自身在隔离装置120. 1-120. 2处争用。
[0021] 根据本发明的一个实施例，隔离系统100还可W包括隔离装置140、发射器142和 接收器144、W及终端电路150 W支持枚举控制。终端电路150可W连接至USB线缆可W插 入的连接端口。终端电路150可W包括连接至电压源（V)的一个或多个上拉电阻R，选择性 将上拉电阻连接至上游USB信号线UD+或UD-之一的一对开关152. 1、152. 2。上拉电阻R 的大小可W由采用的USB标准确定（例如用于USB 2.0的1.化Q)。上拉电阻R至信号线 的连接由开关控制器154控制，开关控制器154由在隔离系统100的下游侧上接收的"枚举 使能"信号和选择信号（SEL)控制。该选择信号可W识别两个信号线UD+或UD-中哪个将 连接至上拉电阻R。枚举使能信号可W控制定时一何时各个信号线连接至上拉电阻R。
[0022] 如所指出的，枚举使能信号可W在隔离系统100的下游侧上被接收。枚举使能信 号可W从下游外围装置（未示出）接收，作为专递信号；在该种情况下，隔离系统100可W 包括外部管脚Pl，W接收来自外围装置的枚举使能信号。可选地，枚举使能信号可W由下 游收发器USB 110. 2从在下游USB信号线孤+和孤-上检测到的活动得到。在图1的配置 中，枚举使能信号可W通过分开设置的下游发射器142、隔离装置140和上游接收器144穿 过隔离阻挡被发射。其他配置如下所述不需要分开设置的隔离装置。
[002引如图1所示，选择信号沈L可W产生在隔离器的上游侦U。例如，选择信号可W通过 隔离器100的外部管脚P2被接收，或者可W硬线连接至预定状态。可替换地，选择信号可 W通过至另一外部管脚（未示出）的输入、或通过下游收发器USB 110. 2从在下游USB信 号线孤+和孤-上检测到的活动进行的推导，被产生在隔离器的下游侧。在该样的情况下， 选择信号可W与用于在隔离装置140上传输至终端电路150的枚举信号合并。
[0024] 假设隔离装置100工作。运行时操作可W在下游外围装置被首次开启或通过上游 USB总线连接至上游装置时被启动。期望下游外围装置可W进行其本身的引导/自测试程 序。因此，该些程序可W定义其开启的时间到下游外部装置准备好接收数据的时间之间的 一些等待时间。
[00巧]当下游装置准备好接收数据时，可W声明（assert)枚举使能信号至隔离系统 100。枚举使能信号传输通过隔离发射单元142、隔离装置140和隔离接收单元144。隔离 发射单元可W执行信号转换W调节用于传输通过隔离装置140的信号。隔离接收单元144 可W根据从隔离装置140接收的信号产生恢复的枚举使能信号。恢复的枚举信号被输出至 开关控制逻辑154。开关控制逻辑154可W在其接收到恢复的枚举信号时，闭合晶体管开 关152. 1、152. 2之一（假设，开关152. 2)。将开关闭合使上拉电阻R连接至所选总线（例 女口，当开关152. 2闭合时，为UD-)，该就发送信号至上游装置，通知一个装置被连接，W及应 进行枚举。因此，为隔离系统100中的下游装置提供了上游枚举控制。
[0026] 图2示出了根据本发明的一个实施例的另一隔离系统200。隔离系统200可W包括 一对USB收发器210. 1、210. 2,多个隔离装置220. 1-220. 2, 一对隔离收发器230. 1-130. 2， W及上游终端电路250。隔离装置220. 1-120. 2提供跨隔离阻挡的两个电流隔离电路子系 统之间的数据交换，两个电流隔离电路子系统再次分别被称作"上游"侧和"下游"侧。因 此，USB收发器210. 1，隔离收发器230. 1 W及上游终端电路250连接至与USB收发器210. 2 和隔离收发器230. 2的电源和参考地分开的电源和参考地。隔离装置220. 1-220. 2可W被 设置为双向隔离装置，例如电容或电感禪合器。在一个示例中，双向隔离装置220. 1-220. 2 可W被设置为在集成电路衬底上设置的微变压器。如图1中的实施例所示，隔离系统200 可W通过第一 USB总线禪接至上游装置，W及通过第二USB总线禪接至下游装置。
[0027] USB收发器210. 1、210. 2支持根据USB协议的跨连接的差分信号线扣D+/UD-和 孤+/孤-)的双向数据通信。USB收发器210. 1、210. 2从在USB信号线上传输的数据识别 各种传输状态，W及输出逻辑信号至各个隔离收发器230. 1、230. 2。隔离发射单元232. 1、 232. 2可W将输入逻辑信号转换为适于通过隔离装置220. 1、220. 2传输的格式。隔离接收 单元234. 1、234. 2可W将从隔离装置接收的信号转换为逻辑信号。在图2中示出的实施例 中，隔离收发器230. 1、230. 2支持隔离装置220. 1、220. 2上的双向通信。两个隔离收发器 230. 1、230. 2的发射单元和接收单元被示出为禪接至隔离装置220. 1、220. 2。隔离收发器 230. 1、230. 2 W半双工方式（例如，一次仅一个方向）传输数据W避免在隔离装置220. 1、 220. 2处的争用。
[0028] 图2中所示的实施例允许枚举使能信号和选择信号SEL"共享"运载USB数据信号 的隔离装置220. 1、220. 2。为了适应该结构，下游隔离收发器230. 2可W包括接受来自USB 收发器230. 2的逻辑信号、枚举使能信号和选择信号沈L的信号编码器236。编码器236可 W产生用于W保持平常运行时间USB数据信号、枚举使能信号W及选择信号SEL的状态的 方式通过隔离装置220. 1、220. 2传输信号的模式。上游收发器230. 1可W包括解码器238 W对由接收单元234. 1恢复的信号进行编码，W及将运行时间USB信号与枚举使能信号和 选择信号沈L区别开。解码器可W将USB信号传递至USB收发器210. 1，W及将枚举使能信 号传递至终端电路250。
[0029] 当使用微变压器时，脉冲信号是被传递通过隔离阻挡的方便的信号。为了适应图 2的共享隔离结构，可W使用不同的脉冲波形，例如图3中所示的那些波形。更多的脉冲波 形及其产生方式在2009年3月31日提交的序列号为12/414, 756的共同未决申请提供。
[0030] 当使用两个隔离通道时，脉冲图形可WW多种方式被组合。表1示出一种可行的 配置。在该配置中，至少4种脉冲组合可W被预留W代表可W通过USB运行时间信号承载 的信息内容。其他组合可W被用于识别枚举使能信号的有效或无效，W及所使用的选择类 型。
[0031]
【权利要求】
1. 一种隔离装置，包括： 多个隔离装置，跨接上游电路子系统和下游电路子系统之间的隔离阻挡； 每个所述上游电路子系统和所述下游电路子系统包括： USB收发器，用于与各个外部部件交换USB信号，以及 隔离收发器，耦接至所述各个USB收发器以在所述USB收发器和所述隔离装置之间交 换信号； 其中，对于至少一个电路子系统，所述隔离收发器的发射器包括脉冲产生器和刷新脉 冲产生器，用于响应于输入逻辑信号产生脉冲，并根据刷新间隔重复所产生的脉冲，以及 其中对于至少另一个电路子系统，所述隔离收发器的接收器包括看门狗定时器，用于 在脉冲在看门狗间隔内被接收到的情况下，将所述接收器维持在接收状态。
2. 根据权利要求1所述的隔离系统，其中所述刷新脉冲产生器在所述隔离收发器响应 于所接收的J状态信号发射脉冲时被禁止。
3. 根据权利要求1所述的隔离系统，其中所述隔离收发器的发射器包括： 边缘检测器，具有用于逻辑信号的输入， 所述脉冲产生器具有耦接至所述边缘检测器的输出的输入； 刷新电路，包括： 刷新定时器，具有用于刷新信号的输入， 所述刷新脉冲产生器接收来自所述刷新定时器的超时指示，以及 用于产生所述刷新信号的装置；以及 多路复用器，将来自所述脉冲产生器和所述刷新脉冲产生器的输出合并。
4. 根据权利要求1所述的隔离系统，其中所述隔离收发器的发射器包括： 延迟模块，具有用于逻辑信号的输入， 所述脉冲产生器具有耦接至所述延迟模块的输出的输入， 刷新电路，包括： 刷新定时器，具有用于刷新信号的输入， 所述刷新脉冲产生器接收来自所述刷新定时器的超时指示，以及 用于产生所述刷新信号的装置；以及 多路复用器，将来自所述脉冲产生器和所述刷新脉冲产生器的输出合并。
5. 根据权利要求1所述的隔离系统，其中所述隔离装置是单向隔离装置。
6. 根据权利要求1所述的隔离系统，其中所述隔离装置是双向隔离装置。
7. 根据权利要求1所述的隔离系统，还包括终端电路，耦接至所述上游USB收发器，其 具有选择性连接至一对USB差分信号线之一的至少一个上拉电阻。
8. 根据权利要求7所述的隔离系统，还包括： 在所述下游电路子系统处用于枚举使能控制信号的输入，其确定何时所述上拉电阻连 接至所述USB差分信号线之一，以及 通信路径，从所述枚举使能输入延伸通过隔离装置至所述终端电路。
9. 根据权利要求7所述的隔离系统，还包括用于选择控制信号的输入，其确定哪个USB 差分信号线被连接至所述上拉电阻。
【文档编号】G06F13/40GK104331384SQ201410573694
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2010年3月26日 优先权日:2009年3月30日
【发明者】E·格拉斯, M·坎特瑞尔 申请人:美国亚德诺半导体公司