用于接地平面隔离的方法及系统与流程

本申请案主张2014年8月19日申请的共同拥有的第62/039,280号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案出于全部目的以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于(例如)在USB环境中的接地平面隔离的方法及系统。然而，方法及系统可由任何其它应用使用以保护免于非所需电压的不当施加，且因此不限于USB环境。

背景技术：

在自动环境中存在许多电气危险。举例来说，多种自动装置及子系统可直接或间隔产生电磁干扰、电气扰动(例如静电放电)及其它者到供应电压配线中。

在自动产业中，尤其最近已引入外部连接器VBAT测试。每一USB兼容端口一般具有4个连接线：Vbus、Gnd、D+及D-。相对高电压可连接到端口中的任一者。在三端口USB系统中，这将需要保护12个单独连接线。用户可能不具有经济的解决方案来保护3x USB微连接器中的这12条线。

由于针对此测试存在多个端口且每个端口存在多个接触件，所以隔离此测试条件的仅有共用连接是通过MOSFET开关隔离整个板接地。最初已测试单个MOSFET隔离方案由此试图使整个模块与接地隔离。不幸的是，归因于模块上的三个功能部分(在一个实施例中是DC-DC转换器、USB HUB组件及其它组件)的相互作用及互连，此解决方案不起作用。可使用类似方法以保护与MCU或任何模拟、数字或接口装置相关联的许多端口。通过检测所述装置的接地回路中的过量电流且将所述装置的输出“箝位”到其本地接地连接，存在保护装置使其免于外部电压暴露的可能性。

技术实现要素：

因此，需要改进保护电路。根据实施例，系统可包括各自具有个别接地连接的多个电路，其中系统进一步包括经由相关联的隔离电路与多个电路中的每一电路的每一接地连接相连接的共用接地连接，其中每一隔离电路包括：NMOS晶体管，其具有使共用接地连接与相关联的电路的个别接地连接相连接的负载路径，且具有接收激活信号的栅极连接；及第一分流电阻器，其与负载路径并联耦合。

根据进一步实施例，电路中的至少一者可为USB电路。根据进一步实施例，电路中的至少一者可为DC-DC转换器。根据进一步实施例，至少一个隔离电路可进一步包括：PMOS晶体管，其具有在相关联的USB电路的供应电压与使负载路径与个别接地连接耦合的瞬时电压抑制装置之间连接的负载路径；及第二分流电阻器，其是在供应电压与个别接地连接之间耦合。根据进一步实施例，瞬时电压抑制装置可为瞬时电压抑制二极管。根据进一步实施例，系统可进一步包括在PMOS晶体管的栅极与供应电压之间耦合的第一齐纳二极管，及在栅极与共用接地连接之间耦合的第二齐纳二极管。根据进一步实施例，第二齐纳二极管可与电阻器串联连接。根据进一步实施例，电阻器可为与第一齐纳二极管并联耦合。根据进一步实施例，第一分流电阻器可具有在约10kOhm与1MOhm之间的电阻。根据进一步实施例，系统可进一步包括具有与第一分流电阻器耦合的输入的运算放大器，其中运算放大器的输出控制NMOS晶体管。根据进一步实施例，系统可进一步包括具有在NMOS晶体管的栅极与共用接地之间耦合的负载路径的另一NMOS晶体管，其中另一NMOS晶体管的栅极与运算放大器的输出耦合。根据进一步实施例，系统可进一步包括通过OR电路而与另一NMOS晶体管的栅极耦合的多个信号。根据进一步实施例，OR电路可为由与NMOS晶体管的栅极连接的多个二极管形成，其中多个信号中的每一者经馈送到多个二极管中的一者。根据进一步实施例，电路中的至少一者可为USB功率控制器。

根据另一实施例，用于集成电路装置的保护电路可包括：NMOS晶体管，其具有使共用接地连接与集成电路装置的个别接地连接相连接的负载路径，且具有接收激活信号的栅极连接；及第一分流电阻器，其与负载路径并联耦合。

根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括：PMOS晶体管，其具有在集成电路装置的供应电压与使负载路径与个别接地连接耦合的瞬时电压抑制装置之间连接的负载路径；及第二分流电阻器，其在供应电压与个别接地连接之间耦合。根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括具有与第一分流电阻器耦合的输入的运算放大器，其中运算放大器的输出控制NMOS晶体管。根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括具有在NMOS晶体管的栅极与共用接地之间耦合的负载路径的另一NMOS晶体管，其中另一NMOS晶体管的栅极是与运算放大器的输出耦合。根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括通过OR电路与另一NMOS晶体管的栅极耦合的多个信号。根据保护电路的进一步实施例，OR电路可由与NMOS晶体管的栅极连接的多个二极管形成，其中多个信号中的每一者被馈送到多个二极管中的一者。根据保护电路的进一步实施例，集成电路装置可为USB集线器、USB功率控制器或DC-DC转换器。根据保护电路的进一步实施例，瞬时电压抑制装置可为瞬时电压抑制二极管。根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括在PMOS晶体管的栅极与供应电压之间耦合的第一齐纳二极管，及在栅极与共用接地连接之间耦合的第二齐纳二极管。根据保护电路的进一步实施例，第二齐纳二极管可与电阻器串联连接。根据保护电路的进一步实施例，电阻器可并联耦合到第一齐纳二极管。根据保护电路的进一步实施例，第一分流电阻器可具有约10kOhm或约1MOhm的电阻。根据保护电路的进一步实施例，保护电路可进一步包括多个瞬时电压抑制(TVS)装置，每一TVS装置是在外部连接与相应的个别接地连接之间耦合。

附图说明

图1展示根据实施例的包括保护电路及USB模块的电路的框图；

图2展示USB模块的示范性实施例；

图3展示如应用于模块的组件的多种保护电路；

图4展示根据实施例的单个保护电路；

图5展示针对USB模块的组件的额外保护测量；

图6展示保护电路的另一实施例；

图7展示保护电路内的额外电路；

图8展示保护电路的另一实施例；

图9展示眼图。

具体实施方式

根据多种实施例，接地切换/隔离可用作用于许多类型的装置及模块(尤其在例如例如USB模块的自动应用中)的电路保护/隔离手段。然而，保护电路可应用于包括外部连接器的其它装置及模块。根据多种实施例，接地切换/隔离是防止损害程度的电流流动通过额定电压比测试要求的电压更低的组件的非常经济手段。每一条线的隔离在一些实施例中将另外需要(例如)至少9个单独MOSFET驱动器电路。在下文中，将与USB模块组合讨论保护电路。然而，如上文中所陈述，本发明的实施例不限于USB技术，而可被应用于需要保护的多种其它电路。

用于自动应用的USB模块可通常包括具有至少一个上游端口及至少一个下游端口的USB集线器，且还可具有一或多个USB充电端口。根据一个实施例，(例如)三个USB连接器在自动USB模块上是外部可存取的，所述三个USB连接器为一个USB数据端口及两个USB充电端口，其各自提供Vbus、Gnd、D+及D-连接。

示范性生存测试需要允许机板承受施加(例如)13.5V或更大(取决于应用)于这些连接中的每一者达30秒而不导致起火或火焰。在此暴露之后，含有USB HUB零件及2个其它零件的模块需要正常运行。使用常规零件的未经保护的机板的先前测试可引起导致火焰及烟的失效。一般地说，熔融及输出隔离将是提供保护的明显选择。然而，熔丝太慢且多个MOSFET输出隔离将成本过高。根据多种实施例，使用分流器及TVS零件或具有等效功能的组件使接地连接浮动满足在隔离期间不允许超过5V的接地电位的要求。

根据多种实施例，3部分原型可配备有三个NFET隔离电路。图1展示具有具三个外部可存取USB端口J2、J3及J4的三端口USB模块110的框图。然而，可设计其它配置。模块110进一步包括电池连接B+、激活信号输入“Old ACC”及用于三个模块(即DC-DC转换器模块、USB端口功率控制器模块及USB集线器模块)的三个单独接地连接“Old Hub Gnd”、“Old UCS Gnd”、“Old DC-DC Gnd”。如上文中所提及，保护电路还可用于其它类型的电子模块且不限于USB应用。

如上文中所陈述，USB集线器模块110可包括多种装置，如(例如)图2中所展示。可在模块110内布置(例如)用于提供5V供应电压的DC-DC转换器210、USB集线器控制器220及一或多个USB端口功率控制器230。功率端口控制器可为(例如)UCS81003且集线器控制器可以是USB82642，其全部是由本申请案的受让人制造。USB集线器控制器可包括一或多个外部可存取下游USB数据端口及内部上游端口。然而，可实施其它USB控制器装置。因此，根据多种实施例，USB模块通过DC-DC转换器、一或多个外部USB数据端口及一或多个外部USB充电端口提供USB供应电压。其它配置可不包含充电端口或一或多个组合数据充电端口控制器。并且，可根据其它实施方案使用用于多个端口的控制器。

如图1中所展示，保护电路150在USB模块110与实际电池连接B+、激活信号ACC及载具的底盘接地之间切换。此保护电路150可提供三重接地隔离电路、智能瞬时电压抑制(TVS)保护电路、集线器TVS保护电路及上电、上浮电路。

图3展示保护电路310如何应用于模块110中的每一装置的实例。每一保护电路310经布置于载具底盘接地与待保护的装置的相应的接地之间。每一保护电路310包括具有连接载具底盘接地及装置的相应的接地的源极漏极路径的NFET Q101。根据一些实施例，分流电阻器R103(例如10kOhm分流电阻器)可与Q101的源极漏极路径并联切换。此外，齐纳二极管Z101、电阻器102及电容器C101各自在Q101的栅极与底盘接地之间耦合。激活信号ACC可通过电阻器R101被馈送到Q101的栅极。

根据多种实施例，保护电路310用于当未激活模块110时从个别接地解耦和底盘接地。因此，如图2中所展示，装置210、220、230的每一个别接地通过低电阻NFET晶体管Q101而与底盘接地连接。另外，根据如图3中所展示的一些实施例，个别端口连接还可连接到切换晶体管Q101。为了这个目的，个别瞬时电压抑制二极管或具有等效功能的任何组件可在每一USB端口连接与个别接地之间连接。

图4展示如用于(例如)DC-DC转换器的单个保护电路。然而，其还可用于USB集线器及/或USB功率控制器。针对DC-DC转换器210，电阻器R103可经配置为100kOhm，其中针对USB功率控制器230，电阻器103可为1Mohm，如所展示。图5展示使用TVS二极管TVS110的对USB集线器或任何其它USB控制器的个别线保护。

如图6中所展示，根据一些实施例，用于USB集线器控制器220的保护电路可进一步包括具有PFET Q201的PFET电路。使用此额外电路以在13.5V暴露事件期间旁通且保护HUB Vbus线。此电路称为“智能TVS(瞬时电压抑制器)”。所谓“智能TVS”是仅在违规电压事件期间拉进TVS箝位功能的TVS电路。需要此是因为HUB Vbus线不可在TVS的正常永久“负载”的情况下运行。永久TVS负载产生破坏正常HUB功能的泄漏电流。使用PFET，TVS经有效隔离且仅当施加违规电压时被有条件地施加到Vbus线。

多种实施例利用高电流、低Rds_on N-沟道MOSFET作为板接地与底盘接地连接之间的开关。(例如)通过载具辅助电力信号ACC激活经提出的MOSFET，从而将板接地有效地短接回到底盘接地。此可应用于“ACC断开”的情况。在“ACC接通”的情况中，可结合使用NFET的Rds_on作为电流传感器的主NFET使用运算放大器，如关于图8更详细解释。当USB连接器的GND引脚具有经施加的违规电压时，过量电流在NFET的Rds_on中流动，从而产生跨所述NFET的升高电压降。通过针对运算放大器选择适当增益值，随着跨隔离NFET引发电压，可测量阈值电流。接着，在反馈电路中使用所述运算放大器的输出作为有线OR配置的部分以关闭NFET且隔离电路。有线OR电路从测量底盘接地中的过量电流或Vbus、V+或V-线中的任一者上的过量电压而形成。所有这四者在吹泄(Blow Off)NFET的栅极处加总。此NFET控制产生有效隔离的(若干)底盘接地隔离NFET。

因此，根据多种实施例，可通过零件几何形状隔离设计的每一部分。二极管“OR”电路用于检测VBAT接触件，且独立保护每一平面。如图6中所展示，使用相应的隔离电阻器(例如，到真实接地的100kOhm电流限制电阻器R111)向每一块提供经隔离接地。电阻器值取决于相应的应用且可变动(例如，10kOhm或1MOhm)或可使用任何其它适合值。如图4及6中所展示，NFET晶体管Q101或Q103分别用于旁通电阻器R103或R111。举例来说，30mOhm NFET可用于在正常操作中连接接地。根据一些实施例，向USB集线器控制器220的3.3V供应电压提供2.8V TVS保护二极管。可向USB功率控制器230及DC/DC块提供5V瞬时电压抑制(TVS)保护二极管。此解决方案提供在断开条件中到接地的每一隔离平面的电流限制及最小组件数。

如各个图式中所描绘，为了努力维持板接地上的相对低电压且不偏置USB装置ESD结构，使用分流MOSFET进行保护。如图5中所展示，可通过将2.8V TVS二极管添加到USB HUB组件220且跨每一MOSFET添加分流电阻器而完成进一步保护。此将在～0.1mA的电流限制下将板接地平面维持在～5V处且ESD结构维持在～7V处。图7展示当辅助信号ACC断开时在从B+处的电池电压的上电处USB端口从零伏特到约5伏特向上浮动对从13.5伏特到约5伏特向下浮动所需的电路。电路包括耦合辅助信号及电池供应电压B+的电容器。

图8展示具有如上文中所讨论的过电流保护的保护电路800的另一实例。电路包括集线器4604、DC-DC转换器USB功率控制器及三个USB端口。晶体管890及830分别对应于图6的晶体管Q201及Q103。晶体管820对应于图4的晶体管Q101。此外，展示多个TVS保护二极管。

晶体管820及830各自提供与底盘接地的解耦及耦合。在此电路中，提供100k隔离电阻器840、850且如果通过晶体管810接通晶体管820及830，那么将旁通100k隔离电阻器840、850。实施例展示运算放大器860、870可如何如上文中所讨论那样用于控制晶体管810。OR控制电路由与和晶体管810的栅极连接的电阻器串联连接的多个肖特基(Schottky)二极管形成。如图8中所展示，5路OR门由这些串联连接的二极管电阻器组合形成。

图9展示上游到下游高速度传送的远端眼图。因此，图9展示经保护系统具有所需端到端性能及系统完整性。

所提出的解决方案进一步允许经保护的模块在3.5V Vbatt测试下存活而不导致烟、火或火焰。其提供低成本及低组件数解决方案，且解决USB集线器隔离问题。此外，其使模块返回到其中辅助功率信号ACC接通的正常配置。