具有先進(jìn)控制特性的usb隔離器的制造方法
【專利摘要】基于USB的隔離系統(tǒng)在一對(duì)電流隔離電路系統(tǒng)之間傳輸U(kuò)SB信號(hào)，并支持在上游USB信號(hào)線上由下游裝置控制的枚舉。隔離系統(tǒng)提供多模式電壓調(diào)節(jié)器來支持多電源電壓配置。該隔離系統(tǒng)還提供用于每個(gè)隔離電路系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并提供在多個(gè)啟動(dòng)條件下的魯棒控制。此外，隔離系統(tǒng)包括刷新定時(shí)器和看門狗機(jī)制，以支持持續(xù)的操作，還管理在隔離的電路系統(tǒng)之間產(chǎn)生的可能的通信故障。
【專利說明】具有先進(jìn)控制特性的USB隔離器
[0001] 本申請(qǐng)是 優(yōu)先權(quán)日:（最早的）為2009年3月30日、國際申請(qǐng)日為2010年3月26 日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080020594. 2,發(fā)明名稱為"具有先進(jìn)控制特性的USB隔離器"發(fā)明專利申 請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隔離器是在兩個(gè)電流隔離電路系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)信號(hào)的裝置。這些電路系統(tǒng)每個(gè) 都以不同的電壓域進(jìn)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(shù)據(jù)交換，保持電流隔離。
[0003] 隔離裝置已經(jīng)被用于USB通信。這些裝置通常包括USB接收器，其根據(jù)USB協(xié)議 從USB線纜接收數(shù)據(jù)，以及發(fā)送所接收的數(shù)據(jù)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(zhí)行可控枚舉或 充分地傳達(dá)上游和下游電路系統(tǒng)之間的狀態(tài)。因此，在本領(lǐng)域中存在對(duì)具有擴(kuò)展能力的USB 隔離器的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的USB隔離系統(tǒng)的方塊圖。
[0005] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的USB隔離系統(tǒng)的方塊圖。
[0006] 圖3示出了傳輸穿過根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的隔離器的示例性信號(hào)。
[0007] 圖4-5示出了適于與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用的隔離系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器的示例 性結(jié)構(gòu)。
[0008] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。
[0009] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的USB隔離系統(tǒng)的方塊圖。
[0010] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的上游控制器的狀態(tài)圖。
[0011] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的下游控制器的狀態(tài)圖。
[0012] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的隔離發(fā)射器的方塊圖。
[0013] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的隔離發(fā)射器的方塊圖。
[0014] 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的隔離發(fā)射器的示例性波形。
[0015] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的隔離發(fā)射器的方塊圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 基于USB的隔離系統(tǒng)在一對(duì)電流隔離電路系統(tǒng)之間傳送USB信號(hào)，并在上游USB 信號(hào)線上支持下游裝置的受控枚舉。隔離系統(tǒng)提供多模式電壓調(diào)節(jié)器以支持多電壓電源配 置。該隔離系統(tǒng)還提供用于每個(gè)隔離電路系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，以及在各種開始狀態(tài)下提供魯 棒控制。此外，隔離系統(tǒng)包括刷新定時(shí)器和看門狗機(jī)制，以支持持續(xù)的、省電操作，以及管理 能夠在隔離電路系統(tǒng)之間產(chǎn)生的可能的通信錯(cuò)誤。
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的USB隔離系統(tǒng)100的簡化方塊圖。該隔離系統(tǒng)100 可以包括一對(duì)USB收發(fā)器110. 1、110. 2,多個(gè)隔離裝置120. 1-120. 4、140, 一對(duì)隔離收發(fā)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(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)路徑。隔離裝置 120. 1-120. 4、140提供穿過隔離阻擋、在兩個(gè)電流隔離電路子系統(tǒng)（分別稱作"上游"側(cè)和 "下游"側(cè)）之間的數(shù)據(jù)交換。因此，USB收發(fā)器110. 1、隔離收發(fā)器130. 1以及上游終端電 路150連接至與USB收發(fā)器110. 2和隔離收發(fā)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(shè)置為微變壓器、光電發(fā)射器/檢測(cè)器、電容器或巨 磁阻（GMR)耦合器。
[0018] 如圖1所示，隔離系統(tǒng)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(jī)，以及下游裝置可以是 特定應(yīng)用的外圍裝置。下游裝置還可以是USB集線器。在一個(gè)應(yīng)用中，下游裝置和隔離系 統(tǒng)100-起設(shè)置在共用殼體中的較大的單個(gè)裝置（在此被稱作"消費(fèi)者裝置"中。從操作 者的角度，消費(fèi)者裝置可以通過設(shè)置在隔離阻擋的上游側(cè)的USB接口連接至上游裝置。在 這些消費(fèi)者裝置應(yīng)用中，隔離系統(tǒng)100和下游USB接口對(duì)于操作者可能是感覺不到的。事 實(shí)上，隔離系統(tǒng)100和下游裝置之間的USB接口可以設(shè)置在印刷電路板上或在集成電路中。
[0019] USB收發(fā)器110. 1、110. 2支持根據(jù)USB協(xié)議跨連接的差分信號(hào)線（UD+/UD-和DD+/ DD-)的雙向數(shù)據(jù)通信。USB收發(fā)器110. 1、110. 2從在USB信號(hào)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)識(shí)別各種 傳輸狀態(tài)，以及將所接收的信號(hào)輸出至各個(gè)隔離收發(fā)器130. 1、130. 2。隔離收發(fā)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(fā)器130. 1、130. 2可以將 從相關(guān)USB收發(fā)器110. 1、110. 2接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于在隔離裝置120. 1-120. 4上傳輸?shù)?格式。隔離收發(fā)器130. 1、130. 2還可以將從隔離裝置120. 1-120. 4接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于 傳輸至相關(guān)USB收發(fā)器110. 1、110. 2的格式。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)100將包括兩對(duì)單向 隔離裝置120. 1-120. 2、120. 3-120. 4, 一對(duì)支持在下游方向上通信，另一對(duì)支持在上游方向 上通信。在這樣的情況中，隔離發(fā)射單元和隔離接收單元與相應(yīng)的隔離通道對(duì)以成對(duì)的關(guān) 系提供（例如，收發(fā)器130. 1中的隔離發(fā)射器產(chǎn)生用于通過隔離裝置120. 1-120. 2發(fā)射以 及被收發(fā)器130. 2中的隔離接收器接收的隔離信號(hào)）。
[0020] 盡管在圖1中未示出，但是容許使用單對(duì)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(fā)器130. 1、130. 2的發(fā)射單元和接收單元都可以耦接至隔離裝 置120. 1-120. 2。發(fā)射單元和接收單元在這樣的實(shí)施例中將被管理從而以半雙工方式發(fā)射 數(shù)據(jù)（例如，一次僅一個(gè)方向），以避免他們自身在隔離裝置120. 1-120. 2處爭用。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，隔離系統(tǒng)100還可以包括隔離裝置140、發(fā)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(gè)或多個(gè)上拉電阻R，選擇性 將上拉電阻連接至上游USB信號(hào)線UD+或UD-之一的一對(duì)開關(guān)152. 1、152. 2。上拉電阻R 的大小可以由采用的USB標(biāo)準(zhǔn)確定（例如用于USB 2. 0的1. 5kQ)。上拉電阻R至信號(hào)線 的連接由開關(guān)控制器154控制，開關(guān)控制器154由在隔離系統(tǒng)100的下游側(cè)上接收的"枚舉 使能"信號(hào)和選擇信號(hào)（SEL)控制。該選擇信號(hào)可以識(shí)別兩個(gè)信號(hào)線UD+或UD-中哪個(gè)將 連接至上拉電阻R。枚舉使能信號(hào)可以控制定時(shí)--何時(shí)各個(gè)信號(hào)線連接至上拉電阻R。
[0022] 如所指出的，枚舉使能信號(hào)可以在隔離系統(tǒng)100的下游側(cè)上被接收。枚舉使能信 號(hào)可以從下游外圍裝置（未示出）接收，作為專遞信號(hào)；在該種情況下，隔離系統(tǒng)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(hào)?？蛇x地，枚舉使能信號(hào)可以由下 游收發(fā)器USB 110. 2從在下游USB信號(hào)線DD+和DD-上檢測(cè)到的活動(dòng)得到。在圖1的配置 中，枚舉使能信號(hào)可以通過分開設(shè)置的下游發(fā)射器142、隔離裝置140和上游接收器144穿 過隔離阻擋被發(fā)射。其他配置如下所述不需要分開設(shè)置的隔離裝置。
[0023] 如圖1所示，選擇信號(hào)SEL可以產(chǎn)生在隔離器的上游偵彳。例如，選擇信號(hào)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(yù)定狀態(tài)?？商鎿Q地，選擇信號(hào)可 以通過至另一外部管腳（未示出）的輸入、或通過下游收發(fā)器USB 110. 2從在下游USB信 號(hào)線DD+和DD-上檢測(cè)到的活動(dòng)進(jìn)行的推導(dǎo)，被產(chǎn)生在隔離器的下游側(cè)。在這樣的情況下， 選擇信號(hào)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(hào)合并。
[0024] 假設(shè)隔離裝置100工作。運(yùn)行時(shí)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(shí)被啟動(dòng)。期望下游外圍裝置可以進(jìn)行其本身的引導(dǎo)/自測(cè)試程 序。因此，這些程序可以定義其開啟的時(shí)間到下游外部裝置準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)的時(shí)間之間的 一些等待時(shí)間。
[0025] 當(dāng)下游裝置準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，可以聲明（assert)枚舉使能信號(hào)至隔離系統(tǒng) 1〇〇。枚舉使能信號(hào)傳輸通過隔離發(fā)射單元142、隔離裝置140和隔離接收單元144。隔離 發(fā)射單元可以執(zhí)行信號(hào)轉(zhuǎn)換以調(diào)節(jié)用于傳輸通過隔離裝置140的信號(hào)。隔離接收單元144 可以根據(jù)從隔離裝置140接收的信號(hào)產(chǎn)生恢復(fù)的枚舉使能信號(hào)?；謴?fù)的枚舉信號(hào)被輸出至 開關(guān)控制邏輯154。開關(guān)控制邏輯154可以在其接收到恢復(fù)的枚舉信號(hào)時(shí)，閉合晶體管開 關(guān)152. 1、152. 2之一（假設(shè)，開關(guān)152. 2)。將開關(guān)閉合使上拉電阻R連接至所選總線（例 如，當(dāng)開關(guān)152. 2閉合時(shí)，為UD-)，這就發(fā)送信號(hào)至上游裝置，通知一個(gè)裝置被連接，以及應(yīng) 進(jìn)行枚舉。因此，為隔離系統(tǒng)100中的下游裝置提供了上游枚舉控制。
[0026] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的另一隔離系統(tǒng)200。隔離系統(tǒng)200可以包括 一對(duì)USB收發(fā)器210. 1、210. 2,多個(gè)隔離裝置220. 1-220. 2, 一對(duì)隔離收發(fā)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(gè)電流隔離電路子系 統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，兩個(gè)電流隔離電路子系統(tǒng)再次分別被稱作"上游"側(cè)和"下游"側(cè)。因 此，USB收發(fā)器210. 1，隔離收發(fā)器230. 1以及上游終端電路250連接至與USB收發(fā)器210. 2 和隔離收發(fā)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(shè)置為雙向隔離裝置，例如電容或電感耦合器。在一個(gè)示例中，雙向隔離裝置220. 1-220. 2 可以被設(shè)置為在集成電路襯底上設(shè)置的微變壓器。如圖1中的實(shí)施例所示，隔離系統(tǒng)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。
[0027] USB收發(fā)器210. 1、210. 2支持根據(jù)USB協(xié)議的跨連接的差分信號(hào)線（UD+/UD-和 DD+/DD-)的雙向數(shù)據(jù)通信。USB收發(fā)器210. 1、210. 2從在USB信號(hào)線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)識(shí)別 各種傳輸狀態(tài)，以及輸出邏輯信號(hào)至各個(gè)隔離收發(fā)器230. 1、230. 2。隔離發(fā)射單元232. 1、 232. 2可以將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為適于通過隔離裝置220. 1、220. 2傳輸?shù)母袷?。隔離接收 單元234. 1、234. 2可以將從隔離裝置接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)。在圖2中示出的實(shí)施例 中，隔離收發(fā)器230. 1、230. 2支持隔離裝置220. 1、220. 2上的雙向通信。兩個(gè)隔離收發(fā)器 230. 1、230. 2的發(fā)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(fā)器 230. 1、230. 2以半雙工方式（例如，一次僅一個(gè)方向）傳輸數(shù)據(jù)以避免在隔離裝置220. 1、 220. 2處的爭用。
[0028] 圖2中所示的實(shí)施例允許枚舉使能信號(hào)和選擇信號(hào)SEL"共享"運(yùn)載USB數(shù)據(jù)信號(hào) 的隔離裝置220. 1、220. 2。為了適應(yīng)該結(jié)構(gòu)，下游隔離收發(fā)器230. 2可以包括接受來自USB 收發(fā)器230. 2的邏輯信號(hào)、枚舉使能信號(hào)和選擇信號(hào)SEL的信號(hào)編碼器236。編碼器236可 以產(chǎn)生用于以保持平常運(yùn)行時(shí)間USB數(shù)據(jù)信號(hào)、枚舉使能信號(hào)以及選擇信號(hào)SEL的狀態(tài)的 方式通過隔離裝置220. 1、220. 2傳輸信號(hào)的模式。上游收發(fā)器230. 1可以包括解碼器238 以對(duì)由接收單元234. 1恢復(fù)的信號(hào)進(jìn)行編碼，以及將運(yùn)行時(shí)間USB信號(hào)與枚舉使能信號(hào)和 選擇信號(hào)SEL區(qū)別開。解碼器可以將USB信號(hào)傳遞至USB收發(fā)器210. 1，以及將枚舉使能信 號(hào)傳遞至終端電路250。
[0029] 當(dāng)使用微變壓器時(shí)，脈沖信號(hào)是被傳遞通過隔離阻擋的方便的信號(hào)。為了適應(yīng)圖 2的共享隔離結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生方式在2009年3月31日提交的序列號(hào)為12/414, 756的共同未決申請(qǐng)?zhí)峁?br> [0030] 當(dāng)使用兩個(gè)隔離通道時(shí)，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(yù)留以代表可以通過USB運(yùn)行時(shí)間信號(hào)承載 的信息內(nèi)容。其他組合可以被用于識(shí)別枚舉使能信號(hào)的有效或無效，以及所使用的選擇類 型。
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種多模式電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括： 電壓調(diào)節(jié)器，響應(yīng)于控制輸入，選擇性地被使能和禁止； 一對(duì)電壓監(jiān)視器， 第一電壓監(jiān)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(duì)電壓操作，一個(gè)電壓高于第二電壓， 第二電壓監(jiān)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(diào)節(jié)器的輸出驅(qū)動(dòng)操作； 控制邏輯，具有一對(duì)輸入，各個(gè)輸入耦接至各個(gè)電壓監(jiān)視器的輸出，以及具有耦接至所 述電壓調(diào)節(jié)器的所述控制輸入的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，其中： 當(dāng)?shù)谝浑妷罕O(jiān)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(jiān)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(shí)，所述控制邏輯 使能所述電壓調(diào)節(jié)器， 當(dāng)?shù)谝浑妷罕O(jiān)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(jiān)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(shí)，所述控制邏輯 禁止所述電源調(diào)節(jié)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，其中： 當(dāng)?shù)谝浑妷罕O(jiān)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(jiān)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(shí)，所述控制邏輯 保持所述電壓調(diào)節(jié)器處于緊接之前的操作狀態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，其中： 當(dāng)?shù)谝浑妷罕O(jiān)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(jiān)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(shí)，所述控制邏輯 禁止所述電源調(diào)節(jié)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，其中所述控制邏輯是鎖存器。
【文檔編號(hào)】G06F13/40GK104298641SQ201410575159
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2009年3月30日
【發(fā)明者】E·格拉斯, M·坎特瑞爾 申請(qǐng)人:美國亞德諾半導(dǎo)體公司