具有電流隔離的usb集線器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有電流隔離的USB集線器。具體而言，通用串行總線（USB）集線器包括：USB?AFE電路模塊、集線器核和插置在USB?AFE電路模塊和集線器核之間的隔離器電路模塊。集線器核和第一USB?AFE電路模塊之間的數據通信通過隔離器電路模塊。一種用于通過通用串行總線集線器進行通信的方法，包括：提供USB?AFE電路模塊，提供集線器核，提供插置在USB?AFE電路模塊和集線器核之間的隔離器電路模塊以及將通信從USB?AFE電路模塊通過隔離器電路模塊導向集線器核。
【專利說明】具有電流隔離的USB集線器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請涉及2011年6月24日提交的名稱為“Virtual Hubs for CommunicationInterface”的共同未決的非臨時專利申請USSN13/168919，在此通過引用合并其全部內容。
【背景技術】
[0003]隨著現代技術的重點因包括數據存儲、輸出傳送和設備控制在內的重要功能的不斷增長而落在了數字數據的傳輸和通信上，數字通信接口已變得廣泛流傳。這些接口包括標準通信規范,例如通用串行總線(USB)、串行高級技術附件(SATA)、Firewire?等。這些接口用于大量計算機和其它電子設備的應用。
[0004]USB例如是允許主機和一個或多個外圍設備之間的數據通信的常用的接口標準。USB接口上的通信可以使用各種格式和速度。通常，“低速”或“LS”的數據傳輸率為
1.5Mbit/s, “全速”或“FS”的數據傳輸率為12Mbit/s，“高速”或“HS”的數據傳輸率為480Mbit/s，并且“超速”或“SS”的數據傳輸率為5Gbit/s。
[0005]主機控制器可以使用USB通信接口來與外圍設備進行通信。USB通信接口(或“系統”)可以包括一個或多個可以將多個外圍設備串聯地連接到主機的USB集線器。典型地，每個USB集線器具有多個到其它USB集線器或者直接到外圍設備的下游端口。
[0006]圖1 (現有技術)是傳統USB集線器100的框圖，其包括:“上游”通用串行總線(USB)高速(HS)模擬前端(AFE) (“USB HS AFE”)塊 104、“下游”USB HS AFE 塊 106 和集線器核(COre)102。雖然僅示出了單個下游HS AFE塊，典型地可以存在一個以上的下游HSAFE塊。HS AFE塊104和106提供用于從其它的外置設備、主機設備或集線器連接到集線器100的線纜(未示出)的模擬接口，以及到集線器核102中的電路的數字接口。雖然被標記為HS，但是塊104和106也可以以較慢的速度(LS和ES)來處理流量。典型地，將HS AFE塊104和106連接到集線器核102的數字數據總線基于UTMI (USB收發器宏單元接口)協議，其可以具有多至40或50根互連線。
[0007]集線器核102包括用于集線器的各種控制功能的集線器控制器108，這些控制功能包括從主機設備(未示出)接收配置指令和與主機設備保持通信。事務翻譯器(TT) 110包括在集線器核中以對高速(HS)分離事務作出響應且(如果需要的話)將它們翻譯成與附接在集線器的面對下游的端口上的任何全速或低速設備相兼容的全速(FS)或低速(LS)事務。端口路由邏輯112包括在集線器核中以對特定的下游端口和上游端口之間的高速數據包進行路由，并且對下游端口和事務翻譯器110之間的低速和全速數據包進行分發。上游端口邏輯塊116和下游端口邏輯塊118對由集線器檢測并產生的USB專用信令進行控制。每一個集線器100重新對數據進行時鐘控制以在上游和下游方向提供其自身本地時鐘化的輸出數據(例如，以便控制抖動)，從而提供具有適當定時的信號。上游和下游端口邏輯塊116、118均包括時鐘數據恢復(⑶R)塊以基于數據流的邊沿來恢復時鐘信號，而且上游和下游端口邏輯塊116、118還均包括彈性緩沖器以在時鐘恢復需要時對信號進行緩沖。
[0008]針對USB通信接口(包括USB集線器)的應用隨著配備有USB接口的多種設備而不斷地擴展。由于這些設備從主機設備進一步擴展，尤其是在工業環境中，諸如電壓尖峰、接地回路和浪涌之類的問題可能負面地影響在USB總線上傳送的數據的完整性。為了解決這些問題，理想的是，使電流隔離與USB通信接口相結合。
[0009]電流隔離典型地防止跨過隔離接口的DC電壓和電流的互連。如果被傳送的數據具有相當高的頻率則也隔離低頻AC電壓(例如50-60HZ線功率頻率)。諸如耦合電容器、變壓器或者光學設備之類的設備通常用于針對高速電子數據的電流隔離。較少見的是使用機械或聲隔離器，因為它們的頻率響應可能不足以用于高速數據傳送。典型地，工業應用可能要求高達2500Volt RMS隔離。
[0010]已經發現電流隔離可能引入其自身的一系列問題，尤其是在高速(480MHz) USB設備的情況下。與數據通信總線串聯地設置任何部件(例如變壓器)將引入傳送滯后，該傳送滯后將影響信號的相對定時(或抖動)。
[0011]高速USB規范相對于較早的“全速”和“低速”抖動要求，已經明顯地加強了抖動要求。因此，以“全速”和“低速”適當地運行的現有技術設備由于寬松的抖動要求而無法繼續以480MHz的“高速”數據率運行。例如，可以以低速或高速操作的模擬設備零件號AduM4160利用單片空芯變壓器，其充當隔離設備。當以高速進行操作時且在一定條件下(例如具有長的線纜)，該設備可能難以符合USB傳送滯后和抖動規范。
[0012]在閱讀了以下的描述并研究了若干附圖之后，現有技術的這些和其它限制對于本領域技術人員而言將變得顯而易見。
【發明內容】
[0013]在實施例中，通過示例而非限制的方式進行陳述，一種通用串行總線(USB)集線器，包括:USB AFE電路模塊、集線器核和插入在USB AFE電路模塊和集線器核之間的隔離器電路模塊。集線器核和第一 USB AFE電路模塊之間的數據通信通過隔離器電路模塊，該隔離器電路模塊用來在符合高速USB傳送滯后和抖動規范的同時提供集線器核和第一 USBAFE電路模塊之間的電流隔離。
[0014]在實施例中，通過示例而非限制的方式進行陳述，一種用于通過通用串行總線集線器進行通信的方法，包括:提供USB AFE電路模塊，提供集線器核，提供插置在USB AFE電路模塊和集線器核之間的隔離器電路模塊以及將通信從USB AFE電路模塊通過隔離器電路模塊導向集線器核。該方法在符合高速USB傳送滯后和抖動規范的同時提供了有效的電流隔離。
[0015]在閱讀了以下的描述并研究了若干附圖之后，這些和其它的實施例、特征以及優點對于本領域技術人員而言將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]將參考附圖介紹若干示例性實施例，其中相同的部件具有相同的附圖標記。示例性實施例意圖例示本發明，而非限制本發明。附圖包括以下各圖:
[0017]圖1 (現有技術)是傳統的USB集線器的框圖；
[0018]圖2a是根據第一示例性實施例的結合了電流隔離的USB集線器的框圖；
[0019]圖2b是根據第二示例性實施例的結合了電流隔離的USB集線器的框圖；[0020]圖3是具有電容器電流隔離的示例性USB集線器的框圖；以及
[0021]圖4是具有ULPI接口的USB集線器的信號時序圖。
【具體實施方式】
[0022]在示例性實施例中，通過示例而非限制方式來陳述，電流隔離與USB集線器的邏輯相結合。使用每個集線器內部的功能，可以減少諸如總線轉回延遲、HS和FS符合(compliance),LS設備支持和重定時與再次驅動信號的需要之類的問題。借助于使用串行化數據接口(被稱為超低引腳數接口(Ultra Low Pin Count Interface)或ULPI)可以進一步減少時間延遲、抖動問題和隔離設備的成本，該串行化數據接口減少了穿過隔離設備的數據線的總數。
[0023]圖2a是根據第一示例性實施例的具有結合的電流隔離的USB集線器200的框圖；例如，USB集線器200可以部分地或完全地實現為集成電路(IC)的部分。上游USB HS AFE塊206和下游USB HS AFE塊208具有類似于之前描述的HS AFE塊104和106的功能。針對本公開內容的目的，“上游”應當指最靠近主機設備(相對于集線器核204)的端口或電路，而“下游”應當指不是最靠近主機設備的端口或電路。從主機設備到集線器200的通信經由USB HS AFE塊206進入集線器200。從集線器200到隨后連接的設備(“下游”)的通信將通過USB HS AFE塊208而進行。包含邏輯塊212-220的集線器核204如之前針對圖1的集線器核102描述的那樣運行。
[0024]在該示例性實施例中，利用隔離器(或“隔離”)塊210、隔離適配器220a和隔離適配器220b來實現電流隔離。隔離塊210包括隔離部件，例如耦合/阻隔電容器、感應變壓器、或光學部件(光隔離器)和/或其它適合的設備以及本領域技術人員了解的技術。優選地，隔離部件是足夠快速的以用足夠短的時間延遲和抖動來傳送數據流，以符合為設備規定的電壓隔離要求。
[0025]在該非限制性的示例中，隔離適配器220a和220b將UTMI接口的數量相當大的信號線(例如，典型地用在集線器核204和USB HS AFE塊208之間)轉換為減少了數據線數目的接口(ULPI)。減少數據線的數目減少了(隔離器210內部)所要求的單獨隔離部件的總數，其簡化了結構，減少了部件數目/成本，并且隨后由于較少數目的諸如電容器或電感器/變壓器之類的大的無源部件而減小了管芯尺寸。隔離塊210將集線器核204與USB HSAFE塊208耦合。如果存在多個下游HS AFE塊(未示出)，則它們也將位于隔離塊210 (和適配器220b)的下游側。
[0026]圖2a示出了 USB集線器202的電流隔離的另一個示例性配置。如圖2b所示，隔離器塊210和隔離適配器222a與222b位于上游USB HS AFE塊206和集線器核204之間。隔離適配器222a和222b具有與隔離適配器220a和220b分別相同的UTMI到ULPI轉換結構，如針對圖2a的示例性實施例所述的那樣。盡管圖2a和2b的實施例的基本功能是相似的，但是可能存在邏輯原因(例如上游與下游USB設備的數目和類型)和操作環境使得一種配置比另一種配置更優選。
[0027]圖3是具有電容器電流隔離的示例性的USB集線器300的框圖。如本領域技術人員應當理解的那樣，USB集線器300可以部分地或完全地實現為集成電路(IC)的部分。通過示例而非限制的方式來提供集線器300中示出的細節，如前所述，還可以使用其它的隔離部件并且其它的隔離部件可以位于多于一個的位置。
[0028]在圖3中，電容隔離器310以與圖2a所示的類似的配置設置在集線器核204和下游USB HS AFE塊208之間。如本領域技術人員應當理解的，電容隔離器310也可以設置在上游USB HF AFE塊206和集線器核204之間，如圖2b所示。在第一示例中，圖2a的隔離適配器AFE220a包括圖3中的隔離器310的上游的三個模塊，S卩，ULPI橋302、并行到串行轉換器SER DES306和模擬接口 314。在第二示例中，圖2b的隔離適配器AFE220b包括圖3中的隔離器310的下游的三個模塊，即，ULPI304、并行到串行轉換器SER DES308和模擬接Π 312。
[0029]在該非限制性的示例中，隔離器310提供七根通信線，其中每根線包括由電容器316-329耦合的差分對。在該示例中，電容器提供適當的電流隔離。優選地，在該示例中，數據傳輸是單向的以有助于隔離性能。ULPI轉換允許最少五根通信互連線，其中兩根通信互連線是雙向的。這兩根雙向的線轉換為兩根傳送單向數據線(DATA TXO與TXl)和兩根接收單向數據線(DATA RXO與RXl)以有助于加強隔離器的操作。
[0030]相對于在直接地使用來自USB HS AFE的UTMI總線的情況下所需要的數目，ULPI轉換的采用使得在隔離器中需要的耦合電容器的數目顯著減少。最小化耦合隔離電容器的數目的優點在于保持成本降低，同時也保持集成電路管芯尺寸可管理(如果這些耦合隔離電容器集成在管芯內部)。通過非限制性的示例，這些電容器可以具有至少大約2.5kV的額定電壓。在各種實施例中，隔離電容器可以提供為IC的部分(“片上”)或提供在IC以外(“片外”)。
[0031]模擬接口 312和314包含電路以適當地傳送和恢復通過電容器陣列316-329的信號。ULPI橋302和304與串聯的轉換器306和308 —起將集線器核204和USB HS AFE塊208的基于UTMI的數據接口轉換為改變了 ULPI數據線數目的七根通信線。作為UTMI到ULPI轉換的結果，數據率從60MHz (UTMI)增加到ULPI中的240MHz。
[0032]圖4是具有ULPI接口的USB集線器的信號時序圖400，通過示例而非限制的方式來陳述。曲線(plot) 402和404分別是60MHz和240MHz的基準時鐘。兩個雙向的數據流如406和408所示，其表示ULPI接口的最低的數據線配置。在該示例中，由于之前關于圖3的討論所陳述的理由，雙向線406和408被分成四根單向的數據線(兩根傳送數據線和兩根接收數據線)。分別地，在曲線410中示出NXT/DIR信號，在曲線412中示出STP，并且在曲線412和414中示出STP和CLK信號。由于減少了 ULPI接口的數據線數目，與標準的UTMI協議的60MHz時鐘速率不同，數據以240MHz時鐘速率傳送。該配置還允許附加的數據打包在NXT/DIR和STP數據線內。如果需要，可以對每根數據線增加兩個附加的數據位。這些由嵌入在NXT/DIR信號流410中的數據位416 (CFU CF2)，和嵌入在STP信號流412中的數據位418 (CB1、CB2)來表示。該信息可以用于任何適合的目的，例如，啟動小功率或休眠模式。
[0033]雖然已經使用特定術語和設備描述了各種實施例，但是這樣的描述僅僅用于說明的目的。所使用的措詞是描述性的措詞而不是限制性的措詞。應當理解的是，本領域技術人員在不脫離書面公開內容和附圖所支持的各發明的精神和范圍的情況下，可以作出改變和變型。而且，應當理解的是，可以以全部或部分的方式互換各種其它實施例的方面。因此應當在沒有限制或禁止反悔的情況下，根據本發明的真實精神和范圍來解釋權利要求。
【權利要求】
1.一種通用串行總線集線器，包括: 通用串行總線(USB)模擬前端(AFE)電路模塊； 集線器核；以及 隔離器電路模塊，插置在所述USB AFE電路模塊和所述集線器核之間，使得所述集線器核和所述第一 USB AFE電路模塊之間的數據通信通過所述隔離器電路模塊，所述隔離器電路模塊用來提供所述集線器核和第一 USB AFE電路模塊之間的電流隔離。
2.如權利要求1所述的集線器，其中，所述USBAFE電路模塊在所述集線器核的上游。
3.如權利要求1所述的集線器，其中，所述USBAFE電路模塊在所述集線器核的下游。
4.如權利要求1所述的集線器，進一步包括: 第一隔離適配器電路模塊，插置在所述USB AFE電路模塊和所述隔離器電路模塊之間，使得所述USB AFE電路模塊和所述隔離器電路模塊之間的數據通信通過所述第一隔離適配器電路模塊；以及 第二隔離適配器電路模塊，插置在所述隔離器電路模塊和所述集線器核之間，使得所述集線器核和所述隔離器電路模塊之間的數據通信通過所述第二隔離適配器電路模塊。
5.如權利要求4所述的集線器，其中，所述第一隔離適配器電路模塊和所述隔離器電路模塊之間的數據通信線 的數目小于所述第一隔離適配器電路模塊和所述USB AFE電路模塊之間的通信線的數目。
6.如權利要求4所述的集線器，其中，所述第二隔離適配器電路模塊和所述隔離器電路模塊之間的數據通信線的數目小于所述第二隔離適配器電路模塊和所述集線器核之間的通信線的數目。
7.如權利要求5所述的集線器，其中，所述第一隔離適配器包括: 第一超低引腳數接口(ULPI)橋式電路模塊，耦合到所述USB AFE電路模塊； 第一并行到串行轉換器模塊，所述第一并行到串行轉換器模塊耦合到所述第一 ULPI橋式電路模塊；以及 第一模擬接口電路模塊，所述第一模擬接口電路模塊耦合到所述第一并行到串行轉換器模塊和所述隔離器電路模塊。
8.如權利要求6所述的集線器，其中，所述第二隔離適配器包括: 第二 ULPI橋式電路模塊，所述第二 ULPI橋式電路模塊耦合到所述集線器核； 第二并行到串行轉換器模塊，所述第二并行到串行轉換器模塊耦合到所述第二 ULPI橋式電路模塊；以及 第二模擬接口電路模塊，所述第二模擬接口電路模塊耦合到所述第二并行到串行轉換器模塊和所述隔離器電路模塊。
9.如權利要求7所述的集線器，其中，所述隔離器電路模塊包括七對電容耦合的數據互連線，所述電容耦合的互連線用來連接所述隔離器電路模塊與所述第一模擬接口電路模塊。
10.如權利要求8所述的集線器，其中，所述隔離器電路模塊包括七對電容耦合的數據互連線，所述電容耦合的互連線用來連接所述隔離器電路模塊與所述第二模擬接口電路模塊。
11.如權利要求9所述的集線器，其中，通過所述隔離器電路模塊的數據傳輸是單向的。
12.如權利要求10所述的集線器，其中，通過所述隔離器電路模塊的數據傳輸是單向的。
13.如權利要求7所述的集線器，其中，所述隔離器電路模塊包括七對變壓器耦合的數據互連線，所述變壓器耦合的互連線用來連接所述隔離器電路模塊與所述第一模擬接口電路模塊。
14.如權利要求8所述的集線器，其中，所述隔離器電路模塊包括七對變壓器耦合的數據互連線，所述變壓器耦合的互連線用來連接所述隔離器電路模塊與所述第二模擬接口電路豐吳塊。
15.一種用于通過通用串行總線集線器進行通信的方法，包括: 向通用串行總線模擬前端(USB AFE)電路模塊應用通信； 將所述通信從所述USB AFE電路模塊導向隔離器電路模塊；以及 將所述通信從所述隔離器電路模塊導向集線器核。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述USBAPE電路模塊在所述集線器核的上游。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述USBAFE電路模塊在所述集線器核的下游。
18.如權利要求15所述的方法，其中，利用第一隔離適配器電路將所述通信從所述USBAFE電路模塊導向所述隔離器電路模塊；并且其中，利用第二隔離適配器電路模塊將所述通信從所述隔離器電路導向所述集線器核。`
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述隔離器電路模塊包括七對電容耦合的單向數據互連線。
20.如權利要求18所述的方法，其中，所述第一適配器電路模塊和所述第二適配器電路模塊均包括超低引腳數接口( ULPI)橋式電路模塊、并行到串行轉換器模塊和模擬接口電路模塊。
【文檔編號】G06F13/40GK103678229SQ201310428793
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2012年9月21日
【發明者】L·薩拉, K·J·赫爾弗里奇 申請人:馬克西姆綜合產品公司