一種全速usb3.0接口隔離保護(hù)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，包括:主機(jī)部、從機(jī)部，所述主機(jī)部、從機(jī)部之間設(shè)有高速信號隔離模塊、低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述ESD靜電防護(hù)模塊連接到USB3.端口上，ESD靜電防護(hù)模塊電連接于高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊和低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊，主機(jī)部、從機(jī)部的高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機(jī)部、從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊之間通過低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊連接。本發(fā)明不僅能實現(xiàn)真正意義上的通用USB接口的電源與信號隔離，而且大幅度提高了隔離信號的傳輸速率，使之達(dá)到USB3.0 SuperSpeed水平，并且加入了防靜電保護(hù)，可以防止任一側(cè)的靜電干擾，使之在實際應(yīng)用中有更廣泛的實用價值。
【專利說明】
—種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電路隔離保護(hù)裝置領(lǐng)域，具體為一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)電子設(shè)備對數(shù)據(jù)交換速度的要求越來越高，越來越多的工業(yè)設(shè)備也開始使用USB接口，對通訊的可靠性要求也越來越高。但現(xiàn)有的USB通訊電路對抗運行環(huán)境干擾的能力差，極易受到工業(yè)環(huán)境中的靜電與電磁波干擾，而且由于工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，主機(jī)端和設(shè)備端接口電平可能不同，連接后可能使兩側(cè)的設(shè)備都無法正常工作，并且任一側(cè)的干擾會沿著USB接口傳遞到主機(jī)/設(shè)備端，容易對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞。
[0003]目前在國內(nèi)外廣泛使用的電源與信號隔離保護(hù)裝置主要分為三種:光電隔離式，變壓器隔離式，電容隔離式。
[0004]如中國專利200510043916.6，提供一種光電隔離式串口信號隔離裝置，這種裝置使用光耦隔離器來傳輸信號，雖然起到了隔離作用，但是由于光電材料性質(zhì)限制，傳輸速度很慢，只能用于串口類低速信號的傳輸，無法實現(xiàn)高速信號的隔離傳輸，并且無法實現(xiàn)電源隔離。
[0005]如中國專利201320715627.6，提供一種RS232接口的電容隔離式信號隔離裝置，這種裝置的電容隔離相比光電隔離，雖然簡化了電路設(shè)計，降低了成本，但傳輸速度慢，只能使用RS232低速信號進(jìn)行傳輸，通信效率仍然很低，仍無法隔離傳輸高速信號。并且相比較其他方法而言，隔離電壓受電容最大耐壓影響，會比較低。而且仍無法隔離電源。
[0006]如中國專利200720305047.4，提供一種使用變壓器隔離的USB-TTL信號隔離裝置，這種裝置使用了變壓器隔離，一定程度上提高了傳輸速度，并且可以隔離電源，但是因為裝置設(shè)計問題，仍無法達(dá)到USB總線的速度標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)上仍是串口信號。
[0007]目前，國外有幾家半導(dǎo)體公司對于USB2.0信號的隔離提供了解決方案，但是售價高昂，方案設(shè)計復(fù)雜，極難推廣到實際應(yīng)用。而且，隨著USB3.0標(biāo)準(zhǔn)的提出，在USB2.0標(biāo)準(zhǔn)上又增加了 4根高速單向差分信號線，并且對隔離信號的傳輸速率提出了更高要求，使以上公司的解決方案對USB3.0全部失效。
[0008]目前國內(nèi)外廣泛使用的ESD靜電保護(hù)裝置，均含有較大的二極管PN結(jié)寄生電容，無法適應(yīng)高速信號的傳輸需求，即使是專為USB接口設(shè)計的ESD靜電保護(hù)裝置，也不可避免的會對設(shè)備的傳輸速度造成影響，而且這種分立器件的解決方案由于體積大，存在額外的PCB布線寄生電容，設(shè)計布線困難，已經(jīng)不再可靠。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，不僅能實現(xiàn)真正意義上的通用USB接口的電源與信號隔離，而且大幅度提高了隔離信號的傳輸速率，使之達(dá)到USB3.0SuperSpeed水平，并且加入了防靜電保護(hù)，可以防止任一側(cè)的靜電干擾，使之在實際應(yīng)用中有更廣泛的實用價值。
[0010]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，包括:主機(jī)部、從機(jī)部，所述主機(jī)部、從機(jī)部之間設(shè)有高速信號隔離模塊、低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部內(nèi)包括高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊、ESD靜電防護(hù)模塊、DC/DC穩(wěn)壓模塊，所述ESD靜電防護(hù)模塊連接到USB3.端口上，ESD靜電防護(hù)模塊電連接于高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊和低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊，主機(jī)部、從機(jī)部的高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機(jī)部、從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊之間通過低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊連接，低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩(wěn)壓模塊，DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)置在從機(jī)部，DC/DC穩(wěn)壓模塊連接于從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部外側(cè)設(shè)有電磁屏蔽模塊。
[0011]所述高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊通過高頻全差分運算放大器，實現(xiàn)了 USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調(diào)制解調(diào)，并且增強(qiáng)了信號的驅(qū)動能力，使高速信號可以驅(qū)動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經(jīng)傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
[0012]所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，實現(xiàn)了 USB3.0接口中兩對高速單向差分?jǐn)?shù)據(jù)線在主機(jī)和從機(jī)之間的高速信號隔離傳輸。
[0013]所述的低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合實現(xiàn)了 USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，并且使用變壓器磁隔離實現(xiàn)了 USB接口的電源隔離轉(zhuǎn)換，并為從機(jī)側(cè)高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
[0014]所述的ESD靜電防護(hù)模塊在從機(jī)側(cè)與數(shù)據(jù)線和電源線連接，通過高速高性能TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進(jìn)行鉗位保護(hù)，防止靜電放電對USB3.0設(shè)備工作帶來的影響，同時確保設(shè)備不因ESD保護(hù)而導(dǎo)致工作性能下降。
[0015]所述的DC/DC穩(wěn)壓模塊可以有效的吸收電壓尖峰，防止工業(yè)設(shè)備電壓波動對設(shè)備工作帶來的影響，為設(shè)備工作提供穩(wěn)定的工作電壓。
[0016]所述的電磁屏蔽模塊對上述模塊進(jìn)行電磁信號屏蔽，防止以上模塊受到來自外界的干擾，并且避免了工作時產(chǎn)生的電磁信號對其他設(shè)備造成干擾。
[0017]與已公開技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下優(yōu)點:1、本發(fā)明使用超高速寬帶全差動運算放大器來驅(qū)動隔離變壓器，實現(xiàn)了對USB3.0高速單向差分?jǐn)?shù)據(jù)信號的調(diào)制解調(diào)，消除了以往信號隔離中調(diào)制解調(diào)對速度的限制，解決了以往高速信號無法隔離的問題。
[0018]2、本發(fā)明使用含鐵硅鋁磁芯的傳輸線變壓器，來實現(xiàn)USB3.0高速差分信號傳輸?shù)碾姎飧綦x，實現(xiàn)了全速USB3.0信號的隔離保護(hù)。
[0019]3、本發(fā)明使用隔離型總線收發(fā)器來實現(xiàn)對USB3.0接口中低速雙向差分?jǐn)?shù)據(jù)信號的隔離傳輸，并且可以自動切換至數(shù)據(jù)發(fā)送或接收狀態(tài)，防止在雙向差分信號線上的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收相互影響。
[0020]4、本發(fā)明通過DC/DC電源隔離模塊實現(xiàn)了完整的高功率電源隔離，進(jìn)一步提高了隔離性能。
[0021]5、本發(fā)明使用高性能TVS陣列對USB信號線提供ESD靜電泄放保護(hù)，有效避免了工作環(huán)境中靜電對設(shè)備的損壞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明的高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊電路圖。
[0024]圖3為本發(fā)明的高速信號隔離模塊電路圖。
[0025]圖4為本發(fā)明的低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊電路圖。
[0026]圖5為本發(fā)明的ESD靜電防護(hù)模塊電路圖。
[0027]圖6為本發(fā)明的DC/DC穩(wěn)壓模塊電路圖。

【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、工作流程、使用方法達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0029]如圖1所示，一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，包括:主機(jī)部、從機(jī)部，所述主機(jī)部、從機(jī)部之間設(shè)有高速信號隔離模塊、低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部內(nèi)包括高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊、ESD靜電防護(hù)模塊、DC/DC穩(wěn)壓模塊，所述ESD靜電防護(hù)模塊連接到USB3.端口上，ESD靜電防護(hù)模塊電連接于高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊和低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊，主機(jī)部、從機(jī)部的高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機(jī)部、從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊之間通過低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊連接，低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩(wěn)壓模塊，DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)置在從機(jī)部，DC/DC穩(wěn)壓模塊連接于從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部外側(cè)設(shè)有電磁屏蔽模塊。
[0030]所述高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊通過高頻全差分運算放大器，實現(xiàn)了 USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調(diào)制解調(diào)，并且增強(qiáng)了信號的驅(qū)動能力，使高速信號可以驅(qū)動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經(jīng)傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
[0031]所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，實現(xiàn)了 USB3.0接口中兩對高速單向差分?jǐn)?shù)據(jù)線在主機(jī)和從機(jī)之間的高速信號隔離傳輸。
[0032]所述的低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合實現(xiàn)了 USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，并且使用變壓器磁隔離實現(xiàn)了 USB接口的電源隔離轉(zhuǎn)換，并為從機(jī)側(cè)高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
[0033]所述的ESD靜電防護(hù)模塊在從機(jī)側(cè)與數(shù)據(jù)線和電源線連接，通過高速高性能TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進(jìn)行鉗位保護(hù)，防止靜電放電對USB3.0設(shè)備工作帶來的影響，同時確保設(shè)備不因ESD保護(hù)而導(dǎo)致工作性能下降。
[0034]所述的DC/DC穩(wěn)壓模塊可以有效的吸收電壓尖峰，防止工業(yè)設(shè)備電壓波動對設(shè)備工作帶來的影響，為設(shè)備工作提供穩(wěn)定的工作電壓。
[0035]所述的電磁屏蔽模塊對上述模塊進(jìn)行電磁信號屏蔽，防止以上模塊受到來自外界的干擾，并且避免了工作時產(chǎn)生的電磁信號對其他設(shè)備造成干擾。
[0036]優(yōu)選地，所述高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊，包括Linear公司的LTC6409超高速寬帶全差動運算放大器，其增益帶寬積達(dá)10GHz，并且輸入和輸出均為全差分結(jié)構(gòu)，可以滿足全速USB3.0接口中單向差分?jǐn)?shù)據(jù)通道5Gbps的高速差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸要求，通過對差分信號放大輸出，可為信號變壓器提供高速數(shù)據(jù)流。
[0037]優(yōu)選地，所述高速單向差分信號隔離模塊，使用兩個傳輸線變壓器的高頻磁耦合特性，來實現(xiàn)兩對高速差分信號傳輸?shù)碾姎飧綦x。其中，傳輸線變壓器的磁性材料采用美磁公司的KM77050鐵硅鋁磁環(huán)，利用其高頻損耗小，磁導(dǎo)率高的特性，來滿足USB3.0高速差分信號5Gbps的傳輸速率要求。變壓器繞線采用耐壓3kv的厚漆漆包線雙線并行繞制，進(jìn)一步減小了聞頻損耗，提聞了隔尚性能。
[0038]優(yōu)選地，所述低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊使用Linear公司的LTM2884芯片，內(nèi)部使用變壓器進(jìn)行數(shù)字信號與電源的傳輸，對于USB3.0接口中的兩根低速雙向差分?jǐn)?shù)據(jù)線進(jìn)行隔離信號傳輸，并且會根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸情況自動切換至數(shù)據(jù)發(fā)送或接收狀態(tài)，防止在同一對差分信號線上的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收相互影響；芯片內(nèi)置的隔離電源對于4.5V?5.5V的輸入可產(chǎn)生一個5.0V的隔離輸出，并且可以提供2.5kVrms內(nèi)的隔離電壓保護(hù)。
[0039]優(yōu)選地，所述DC/DC穩(wěn)壓模塊使用Linear公司的LTC3115四開關(guān)同步降壓-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，在2.7V至40V電壓范圍內(nèi)提供5V 2A輸出，運行時靜態(tài)電流僅30 μ Α,負(fù)載調(diào)整率僅為0.1%，顯著解決了由于DC/DC電源隔離所帶來的電源紋波問題，并且可以對高達(dá)40V的電壓波動提供保護(hù)。
[0040]優(yōu)選地，所述ESD靜電防護(hù)模塊使用Littelfuse公司的SP3003-02UTG靜電保護(hù)TVS 二極管陣列，為2行差分?jǐn)?shù)據(jù)通道提供±12kV靜電保護(hù)，結(jié)合了低鉗位電壓和低電容，在提供保護(hù)的同時最大限度的減少對正常傳輸?shù)挠绊憽?br> [0041]本發(fā)明的工作原理為:裝置內(nèi)的電磁屏蔽模塊與ESD靜電防護(hù)模塊均為被動模塊，無論上電與否，均可為本設(shè)備提供電磁屏蔽與靜電保護(hù)。本裝置接入主機(jī)側(cè)USB接口后，系統(tǒng)上電，低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊中的電源部分和DC/DC穩(wěn)壓模塊首先開始工作，為從機(jī)側(cè)USB接口，低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊中的數(shù)據(jù)傳輸部分，以及從機(jī)側(cè)信號隔離調(diào)制解調(diào)模塊提供穩(wěn)定的隔離電源，在上述信號隔離收發(fā)模塊上電后，就開始對USB3.0接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號進(jìn)行隔離傳輸，其中的2對高速單向差分信號經(jīng)過高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊進(jìn)行差分放大，并通過傳輸線變壓器進(jìn)行隔離傳輸，其中的I對低速雙向差分信號通過低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊內(nèi)置的隔離差分信號收發(fā)器以及信號變壓器進(jìn)行傳輸，正常工作情況下，USB信號的傳輸延時在Ins內(nèi)。
[0042]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，包括:主機(jī)部、從機(jī)部，其特征在于:所述主機(jī)部、從機(jī)部之間設(shè)有高速信號隔離模塊、低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部內(nèi)包括高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊、ESD靜電防護(hù)模塊、DC/DC穩(wěn)壓模塊，所述ESD靜電防護(hù)模塊連接到USB3.端口上，ESD靜電防護(hù)模塊電連接于高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊和低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊，主機(jī)部、從機(jī)部的高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機(jī)部、從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊之間通過低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊連接，低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩(wěn)壓模塊，DC/DC穩(wěn)壓模塊設(shè)置在從機(jī)部，DC/DC穩(wěn)壓模塊連接于從機(jī)部的ESD靜電防護(hù)模塊，所述主機(jī)部、從機(jī)部外側(cè)設(shè)有電磁屏蔽模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述高速單向差分信號調(diào)制解調(diào)模塊通過高頻全差分運算放大器，將USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調(diào)制解調(diào)，并且增強(qiáng)了信號的驅(qū)動能力，使高速信號驅(qū)動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經(jīng)傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，將USB3.0接口中兩對高速單向差分?jǐn)?shù)據(jù)線在主機(jī)和從機(jī)之間的高速信號隔離傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述的低速差分?jǐn)?shù)據(jù)與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合將USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，并且使用變壓器磁隔離實現(xiàn)了 USB接口的電源隔離轉(zhuǎn)換，并為從機(jī)側(cè)高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述的ESD靜電防護(hù)模塊在從機(jī)側(cè)與數(shù)據(jù)線和電源線連接，通過TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進(jìn)行鉗位保護(hù)，防止靜電放電對USB3.0設(shè)備工作帶來的影響，同時確保設(shè)備不因ESD保護(hù)而導(dǎo)致工作性能下降。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述的DC/DC穩(wěn)壓模塊吸收電壓尖峰，防止工業(yè)設(shè)備電壓波動對設(shè)備工作帶來的影響，為設(shè)備工作提供穩(wěn)定的工作電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護(hù)裝置，其特征在于:所述的電磁屏蔽模塊對主機(jī)部、從機(jī)部進(jìn)行電磁信號屏蔽，防止主機(jī)部、從機(jī)部受到來自外界的干擾，并且避免了工作時產(chǎn)生的電磁信號對其他設(shè)備造成干擾。
【文檔編號】H02H9/04GK104317760SQ201410572419
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】王冠凌, 武峰, 董子漢, 陳強(qiáng), 吳玉玨, 江柳 申請人:安徽工程大學(xué)