本发明属于网络路由器和交换机技术领域，特别是以太网络路由器和交换机技术领域，尤其是具有多级电隔离的网络设备和方法。
背景技术：
网络路由器和交换机应用于各种现代计算环境中提供网络连接。网络交换机可以连接网络内的计算机，而网络路由器可以将多个网络连接在一起。联网的计算机通常是空间上分离的，例如，在一些使用中，计算机设备可以分离几十米或更远，而一般而言，分离几米或更远的计算机会使用不同的电源进行供电，由于每台计算机的工作电压处于不同的直流电压，因此，造成网络接口无法在计算机之间提供直流(dc)连接。此外，现有技术的网络设备系统需要不同的电隔离来保证正常工作。并且，当联网计算机为直流连接时，还可能会在网络接线上引入噪声和尖峰，从而造成损坏严重后果。由于现有技术的这些缺点，亟需提供廉价、可靠和节省空间的具有多级电隔离的网络设备。
技术实现要素：
披露本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有多级电隔离的网络设备，其结构简单，性能可靠。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有多级电隔离的网络设备，其特征在于，包括：一物理接口模块，用于接收以太网信号的输入和输出；一物理层电路，用于与所述物理接口模块进行通信，以对所述以太网信号进行处理；第一多级隔离电路，其设置于所述物理接口模块和物理层电路之间，用于进行第一电隔离，所述第一多级隔离电路包括串联的隔离部件；以及网络处理电路，其与所述物理层电路进行通信，用于将所述物理接口模块发送或接收的以太网信号进行处理。
进一步的，还包括：第二多级隔离电路，其设置于所述网络处理电路和物理层电路之间，用于进行第二电隔离，所述第二多级隔离电路包括串联的隔离部件。
进一步的，所述第一多级隔离电路或第二多级隔离电路中的每一个串联隔离部件包括：电容器，光电子隔离元件，耦合式磁性元件或半导体元件。
进一步的，所述第一多级隔离电路或第二组多级隔离电路包括：电压或电流隔离模块，电磁干扰隔离模块，抗雷击模块，抗浪涌模块，共模隔离模块，或信号处理模块。
进一步的，所述第一多级隔离电路的每一个串联隔离部件包括：电容器，光电子隔离元件，耦合式磁性元件或半导体元件。
进一步的，所述第一多级隔离电路至少包括：电压隔离模块，电磁干扰隔离模块，共模隔离模块或信号处理模块。
进一步的，所述第一多级隔离电路中还包括串联隔离部件的元件。
进一步的，所述第一多级隔离电路和第二多级隔离电路具有不同的隔离电压。
进一步的，所述第一多级隔离电路与所述物理层电路集成于系统芯片。
进一步的，所述第一多级隔离电路、第二多级隔离电路和物理层电路集成于系统芯片。
进一步的，所述第二多级隔离电路包括不同的隔离模块，以分别对高速串行信号，低速信号以及控制信号进行隔离。
进一步的，还包括：第一电源；以太网供电是由所述第一电源供电，其中，以太网供电电路耦合到物理接口模块并通过网络电缆直接对以太网设备供电；以及第二电源，向所述网络处理电路供电，并且与所述第一电源隔离。
进一步的，包括：直流转换器，用于将所述第一电源和第二电源进行隔离。
一种具有多级电隔离的网络设备，其特征在于，包括：物理接口模块，用于接收以太网信号的输入和输出；与物理接口模块通信的物理层电路，用于对以太网信号进行通信处理；与物理层电路相连的网络处理电路，用于将物理接口模块处发送或接收的以太网信号进行处理；和一组多级隔离电路，其设置在网络处理电路和物理层电路之间，包括串联的高电压隔离电路，以提供所需的整体电隔离的一部分；
进一步的，还包括前端隔离电路，用于物理层电路和物理接口模块之间的隔离。
进一步的，所述前端隔离电路是单级隔离电路。
进一步的，还包括，所述前端隔离电路与所述第二多级隔离电路相同，并且包括串联隔离部件，来提供所述所需整体的电隔离的一部分。
进一步的，所述多级隔离电路根据通信标准至少包括：电压或电流隔离模块，电磁干扰隔离模块，抗雷击模块，抗浪涌模块，共模隔离模块或者信号处理模块。
进一步的，还包括：第一电源；以太网供电是由所述第一个电源供电，其中，以太网供电电路耦合到物理接口模块并通过网络电缆直接对以太网设备供电；以及第二电源，向所述网络处理电路供电，并且与第一个电源隔离。
进一步的，一种装置，其特征在于，包括：第一隔离电路，包括第一输入端和第一输出端并且允许第一通过电压在第一输入端通过第一隔离电路到达第一输出，第一隔离电路将所述第一输入端的第一隔离电压与第一输出端的第二隔离电压隔离；下行网络电路，包括第二输入端和第二输出端，第二输入端耦合到第一隔离电路的第一输出端以接收第一通过电压和第二隔离电压，下行网络电路处理所述第一通过电压以在所述第二输出端产生第二通过电压和第三隔离电压，下行网络电路连接处的第二隔离电压与第一隔离电压无关；第二隔离电路，包括第三输入端和第三输出端，第三输入端耦合到下行网络电路的第二输出端以接收第三隔离电压和第二通过电压，并且允许第二通过电压通过第二隔离电路到达第三输出端，第二隔离电路将第三输入端处的第三隔离电压与第三输出端的第四隔离电压隔离；以及上行网络电路，其中包括第四输入端和第四输出端，第四输入端耦合到第二隔离电路的第三输出端以接收第二通过电压和第四隔离电压，上行网络电路处理第二通过电压以产生数字数据，其中，上行网络电路连接处的第四隔离电压与第三隔离电压无关，其中，下行网络电路由第一电源供电，上行网络电路由第二个电源供电，两个电源之间相互隔离。
进一步的，下行网络电路包括物理层电路，上行网络电路包括mac层电路。
进一步的，第一隔离电路和第二隔离电路中至少包括：电容器，光电子隔离元件、半导体元件和耦合式磁性元件。
进一步的，第一隔离电路和第二隔离电路至少包括两个串联连接的隔离部件，其中，每个隔离部件是至少包括：电容器，光电子隔离元件，耦合式磁性元件以及半导体元件。
进一步的，第二隔离电路包括两个串联连接的电容器以提供隔离。
进一步的，第一隔离电路在第一输入端和第一输出端之间，或者，在第二输入端和第二输出端之间提供2000伏或以上的隔离电压。
进一步的，第一隔离电路在第一输入端和第一输出端之间，或者，在第二输入端和第二输出端之间提供小于2000伏的隔离电压。
进一步的，所述装置符合ieee802.3通信标准。
进一步的，所述第二电源是用于第一电源供电的直流转换器。
进一步的，还包括：以太网供电是由所述第一电源供电，其中，以太网供电电路耦合到物理接口模块并通过网络电缆直接对以太网设备供电；以及第二电源，向所述网络处理电路供电，并且与第一电源隔离。
进一步的，还包括：至少一个自耦变压器，其中心抽头连接到以太网供电电路。
在附图、说明书和权利要求书中，更详细地描述了所披露技术的上述和其他方面。
本发明的有益效果为：
第一，结构简单，隔离部件以串联形式实现高压隔离，而每个隔离部件处只需较低的隔离电压值。其隔离部件可以包括电容器，光电子隔离元件，耦合式磁性元件或者半导体元件。一方面，多级隔离可以在系统内提供直流电压、或共模电压滤波、或emi、或多种类型隔离的组合，以允许隔离的输入端具有与隔离的输出端不同的直流电压、或共模电压、或emi。另一方面，对于特定类型的隔离，每个隔离设备或电路使用多个分离的部件以达到所需的总体隔离要求。在高速网络系统中的现有设计中，电路板(pcb)会出现不良的高传输损耗。因此，使用本发明特别适合某些高速网络系统(高速网络系统的速度10gb/s甚至更高)。
第二，性能可靠，通过使用多级隔离电路中的跳线技术来降低传输损耗。使用至少一个或多个电容器、光电子隔离元件、耦合式磁性元件，半导体元件或各种隔离技术的组合，实现较低的成本和较小的尺寸来制造高速和高功率的下一代以太网系统。例如，使用单个系统芯片解决方案，可以利用分拆连接到隔离电路的输入的物理接口处的直流电压，至输出的网络电路处的直流电压来降低损耗。在网络设备(例如，交换机、路由器、计算机等)中使用多个隔离电路的系统，能够实现隔离功能的分离并且简化了部件选择标准，降低了系统成本。另外，在一些现有的解决方案中，某些网络接口会受到劳动密集型单个隔离磁性部件的限制导致精度更低，但本发明通过在多级隔离配置中使用多个隔离电路，则得能够实现更高速度和更高功率的网络接口。
第三，应用广泛，隔离电路之间的网络电路也可以由不同的电源供电。在物理接口处提供第一多级隔离电路、在下行网络电路和上行网络电路之间提供第二多级隔离电路以及隔离电源的组合，提供了用于计算机、路由器和/或交换机的低成本高速小型网络接口。而且，可以使用通过为下行网络电路供电的隔离电源来进行以太网供电。用于高速网络(诸如以太网)的多级隔离电路可以包括多个隔离电路，诸如用于高速隔离电路、低速隔离电路和用于控制信号的隔离电路。不同的隔离电路可以使用不同的部件，以便最大限度地减小成本和/或优化设计，诸如最大限度地减小多级隔离电路的尺寸。
附图说明
图1为本发明的网络装置的示意图；
图1a为本发明的包括高速、隔离、控制信号和低速通信隔离的网络装置的另一个示意图；
图2为本发明的网络装置的另一个示意图；
图3为本发明的以太网网络装置的示意图；
图3a为本发明的隔离互连的示意图；
图4a为用于提供以太网供电的直流隔离的电路的示意图；
图4b为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图4c为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图4d为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图4e为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图4f为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图4g为包括以太网供电的网络装置的另一个示意图；
图5为本发明的方法的流程图；
图6为本发明的用于使用集成电路和两个电源的多端口以太网交换机的电路的示意图；
图7为本发明的用于使用集成电路、电源和隔离式直流转换器的多端口以太网交换机的电路的示意图；
图8为本发明的用于使用集成电路和两个电源的多端口以太网交换机的电路的示意图；
图9为本发明的用于使用集成电路、电源和隔离式直流转换器的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图；
图10为本发明的用于使用集成电路、电源和隔离式直流转换器的具有以太网供电的多端口以太网交换机的电路的示意图；
图11为本发明的用于使用集成电路、电源和隔离式直流转换器的具有以太网供电的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图；以及
图12为本发明的用于使用集成电路、电源和隔离式直流转换器的具有以太网供电的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图。
在可能的情况下，相似的附图标记表示附图中相同或相似的特征。
具体实施方式
本发明的计算或通信设备(诸如计算机)可以包括一个或多个有线和/或无线网络装置。本发明提供有线网络装置和方法。例如，网络计算机可以包括10/100/1000/10000以太网/千兆位/万兆位以太网网络装置。这种设备还可以包括所披露技术主题的其他网络装置。交换机和/或路由器可以包括多个网络装置。例如，网络交换机可以包括48个端口，或者10/100/1000/10000以太网/千兆位/万兆位以太网网络装置的任何其他数量的端口。所披露的技术主题适用且不仅限于上述网络装置。
本发明的具有多级电隔离的网络设备，包括：物理接口，该装置的用于接收和发送以太网信号的输入和输出；物理层电路，用于和物理接口通信，以及对发送或接收的以太网信号进行物理层通信处理；网络处理电路，用于和物理层电路通信，以及对物理接口处发送或接收的以太网信号进行网络处理操作；以及多级隔离电路，用于在网络处理电路和物理层电路之间提供所需的高压电隔离。
在一些实现方式中，该装置可以进一步包括第一个电源和由第一个电源供电的以太网供电电路。以太网供电电路耦合到物理接口，通过网络电缆供电并且连接到该装置的物理接口的以太网设备。第二个电源可以向网络处理电路供电并且与第一个电源电隔离。该装置还可以包括前端隔离电路，在物理层电路和物理接口之间提供电隔离，其中该前端隔离电路可以是单级隔离电路或者多级隔离电路。在一些实现方式中，多级隔离电路可通过不同的实现方式用于高速串行信号的隔离电路，用于低速信号的隔离电路以及用于控制信号的隔离电路。
在另一个方面，这种装置包括第一输入和第一输出的第一隔离电路。第一输入端的第一通过电压通过第一隔离电路到达第一输出。第一隔离电路可以进一步提供第一输入端的第一隔离电压与第一输出端的第二隔离电压隔离。该装置可以进一步包括下行网络电路，包括第二输入和第二输出。第二输入可以耦合到第一隔离电路的第一输出以接收第一通过电压和第二隔离电压。下行网络电路可以处理第一通过电压以在第二输出端产生第二通过电压和第三隔离电压。下行网络电路可以操作以确定第二隔离电压而不考虑第一隔离电压。该装置可以进一步包括第二隔离电路，包括第三输入和第三输出。第三输入可以耦合到下行网络电路的第二输出以接收第三隔离电压和第二通过电压。第二隔离电路可以进一步提供第二通过电压通过第二隔离电路到达第三输出的电压隔离。第二隔离电路可以提供第三输入端的第三隔离电压与第三输出端的第四隔离电压隔离。该装置可以进一步包括上行网络电路，包括第四输入和第四输出。第四输入可以耦合到第二隔离电路的第三输出以接收第二通过电压和第四隔离电压。上行网络电路可以处理第二通过电压以产生数字数据。上行网络电路相连的第四隔离电压可以与第三隔离电压不同。上行网络电路可以由第一个电源供电，下行网络电路可以由第二个电源供电，两个电源互相隔离。
该装置可以包括以下特征的任何组合。下行网络电路可以包括物理层电路，而上行网络电路可以包括mac层电路和链路层电路。下行网络电路可以包括物理层电路和mac层电路，而上行网络电路可以包括链路层电路。第一隔离电路和第二隔离电路中可以使用至少一个电容器以提供隔离。第一隔离电路和第二隔离电路中可以使用至少一个光电子元件以提供隔离。第一隔离电路和第二隔离电路中可以使用至少一个耦合式磁性元件以提供隔离。第一隔离电路可以在第一输入和第一输出之间或者在第二输入和第二输出之间提供50伏的隔离。第一隔离电路可以在第一输入和第一输出之间或者在第二输入和第二输出之间提供2000伏的隔离。该装置符合ieee802.3标准。该装置可以进一步包括由第一个电源供电的以太网供电(poe)电路。poe供电的第一个电源是主电源。第二个电源可以是由第一个电源供电的直流转换器。以太网供电电路可以通过网络电缆为系统供电。该装置可以进一步包括至少一个自耦变压器，其中心抽头连接到以太网供电电路。
在另一个方面，本发明披露了一种系统芯片。该系统芯片可以包括第一输出的第一输入端的第一隔离电路，和/或用来处理第一输出以产生数字输出的物理层电路。该装置可以进一步包括第二多级隔离电路，把数字输出从第二输入与上行网络处理电路隔离。第二多级隔离电路可以在数字输出和第二输入之间提供多级高压隔离。上行网络处理电路可由第二个电源供电，物理层电路由第一个电源供电，两个电路互相隔离。例如，第二个电源可以是由第一个电源供电的直流转换器。
在另一个方面，一种以太网网络\装置包括连接到网络电缆的物理接口，系统芯片和具有关联的第二下行接口和第二上行接口的网络处理电路。系统芯片可以包括物理层，和/或第一多级隔离电路，该第一多级隔离电路包括第一下行接口和第一上行接口，在物理接口，物理层电路和网络处理电路之间提供多级隔离。第一下行接口可以连接到物理接口，而第一上行接口连接到第二下行接口。第二上行接口可以是高速数字接口。第二网络处理电路由第二个电源供电，物理层电路和网络处理电路由第一个电源供电，两个电源互相隔离。
以下特征可以包括在任何组合中。上行网络处理电路可以是mac。系统芯片可以进一步包括由第一个电源供电的以太网供电电路。以太网供电电路可以通过网络电缆向以太网设备供电。该装置可以进一步使用至少一个自耦变压器，其中心抽头连接到以太网供电电路。第一多级隔离电路可以包括至少一个击穿电压大于或等于50伏的电容器，或者击穿电压总和大于或等于50伏的电容器的组合。第二多级隔离电路可以包括击穿电压大于或等于2000伏的电容器，或者击穿电压总和大于或等于2000伏的电容器的组合。第一多级隔离电路可以把第一输入的直流电压与第一输出隔离。该装置符合ieee802.3标准。第二多级隔离电路可以在多个物理层电路与mac之间提供隔离。该装置可以包括由第一个电源供电的以太网供电电路，其中，第二个电源是由第一个电源供电的直流转换器。第一个电源可以包括由第二个电源供电的直流转换器。
在另一个方面，一种装置可以包括第一输入端口和第一输出端口的物理电路，该第一输入端口接收第一输入信号，该物理层电路处理第一输入信号以在第一输出端口处产生第一输出信号。该装置可以进一步包括隔离电路，包括第二输入端口和第二输出端口。第二输入端口可以到物理层电路的第一输出端口以接收第一隔离电压和通过电压，并且可以使电压通过第二隔离电路到达第二输出端口。隔离电路可以进一步把第二输入端口处的第一隔离电压与第二输出端口处的第二隔离电压隔离。该装置可以进一步包括媒体访问控制(mac)电路，包括第三输入端口和第三输出端口。第三输入端口可以耦合到隔离电路的第二输出端口，以接收通过电压和第二隔离电压。mac电路可以处理通过电压以产生数字数据，其中，与mac相连的第二隔离电压与第一隔离电压无关。mac电路由第一个电源供电，物理层电路供电由第二个电源供电，两个电源互相隔离。第一和第二隔离电压中的一个或多个可以是直流电压。通过电压可以是交流电压。
本发明的网络装置包括多级隔离技术。每个隔离从输入中去除一些类型的信号，并且允许其他信号通过隔离到达输出。优选地，在直流隔离中，多级隔离电路用于从输入中去除直流(dc)信号并且允许交流(ac)信号通过。多级隔离电路用于各自提供达最高电压或电流水平的隔离。作为具体的实施例，多级隔离电路用于提供预定电压(诸如50伏、100伏、2000伏或任何其他预定值)的直流隔离(从输入信号去除直流电压)。每个隔离电路用于提供相同的预定隔离或不同的预定隔离值。作为具体的实施例，提供一种具有双隔离电路的网络装置，包括提供50伏直流隔离的第一隔离电路，和提供2000伏隔离的第二隔离电路。结合起来，两个隔离电路整体可以提供2050伏的直流隔离。尽管以下描述涉及直流电压的隔离，但是所披露的隔离电路提供包括但不仅限于对共模电压、静电放电(esd)和/或电磁干扰(emi)的隔离。
优选地，每级隔离电路具有输入端与输出端，输出端两端具有不同的直流电压。直流电压的差小于隔离电路的击穿电压，其有益效果是使得网络装置能够选择多个合适的部件并且分布在隔离电路的不同位置。例如，连接到隔离电路输出的网络电路处的直流电压可以与连接到隔离电路输入的物理接口处的直流电压不同。在该示意图中，基于在所连接的网络电缆另一端处的网络装置的直流电压，选择或确定物理接口(隔离电路的输入端)处的直流电压，可以通过网络电路中的一个或多个电路，选择或确定网络电路(隔离电路的输出端)处的直流电压。优选地，本发明的隔离电路可以是多级隔离电路，通过串联连接的分立隔离部件或子电路实现整体隔离需求，使得每一个隔离部件提供较低的隔离电压或电流并且使得高速信号能够通过串联连接的分立隔离部件进行传输。例如，2000伏的击穿电压可以分成两个1000伏的部件，分别放置在第二隔离电路的输入端和第二隔离电路的输出端。从而，本发明可以根据隔离电路的需求来选择多级直流电压隔离，有利于降低部件成本和增强可制造性。
优选地，每个多级隔离电路包括但不仅限于以下一个或多个隔离部件：电容器，磁性元件，光电子元件和/或半导体元件。通过选择合适的隔离部件以满足预定隔离需求。例如，当选择电容器作为隔离电路时，要提供1000伏的直流电压隔离，电容器的击穿电压必须为1000伏或更高。当选择磁性元件作为隔离电路时，要提供1000伏的直流电压隔离，磁性元件的击穿电压必须为1000伏或更高。当选择光电子元件作为隔离电路时，要提供1000伏的直流电压隔离，光电子元件的击穿电压必须为1000伏或更高。当选择半导体元件作为隔离电路时，要提供1000伏的直流电压隔离，半导体元件或电路的击穿电压可以为1000伏或更高。作为具体的实时方式，每个隔离电路也可以根据隔离需求提供低于特定频率或者高于特定频率的信号的交流隔离。在高速网络的实现方式中，控制信号和低速通信总线，以及与以太网系统内的高速串行通信共存的其他控制信号和通信总线，从而，本发明可以使用不同的隔离组合设计来分别隔离，以进一步使系统设计的成本和尺寸最小化。
优选地，隔离电路可以允许隔离电路的两侧每一侧上的直流电压是不同的。例如，隔离电路的一侧可以处于一个电压(例如10伏)，而另一侧可以具有另一个电压(例如1.5伏)。作为具体的实施例，多级隔离电路可以允许多个直流电压级。在一些示意图实施例中，当n是隔离电路的数量时，n+1则是可以容纳在一系列隔离电路中的不同直流电压的数量。例如，在使用两个串联的隔离电路的隔离设计中，三个隔离电压可能在三个不同的位置。可以独立选择不同的隔离电压，以适应每个隔离电路之前或之后的电路。以这种方式，隔离电路之间的隔离电压可以通过设计来适应网络中的其他电路。因此，本发明使用多级隔离可以提供灵活性并降低成本，同时提供所需的隔离和传输速度。
优选地，隔离电路可以包括但不仅限于电容器，耦合式磁性元件，光电子元件和/或半导体元件中的一个或多个。本发明描述了电容性隔离电路，但是作为另一种实施例，可以使用任何其他类型的隔离电路来代替电容性隔离电路，或者除了电容性隔离电路之外，可以使用任何其他类型的隔离电路。
优选地，本发明的网络装置在第一多级隔离电路处提供低压直流隔离，并在第二多级隔离电路处提供高压隔离。作为具体的实施方式，经由多个电容器，在诸如rj-45连接器之类的物理接口处提供对输入和输出的直流隔离。本发明的以太网交换机中使用的一些直流隔离电容器中，直流隔离电容器都有击穿电压值，例如50伏或更高。优选地，根据网络设备的设计，可以使用不同数量的直流隔离电容器。例如，网络装置中可以包括4、8或更多个直流隔离电容器。优选地，直流隔离信号由物理层电路检测和处理，该物理层电路可以由与网络装置的其余部分隔离的电源供电。优选地，物理层电路的输入和输出可以是高速串行信号。这些高速信号可以通过高击穿电压电容器，与mac层电路实现高压隔离。高击穿电压电容器的电容值与物理层电路和mac层电路的输入阻抗相比，可以比较低。因为串行信号是高速信号(例如，每秒1万兆位)，高击穿电压电容器的电容值可以低于信号速度较低(例如，每秒100兆位)时的电容值。
为便于以下描述，本发明的具有多级电隔离的网络设备称之为网络装置，图1为本发明的网络装置100。网络装置100包括连接到网络电缆105的物理接口110，第一多级隔离电路120(以下称第一隔离电路120)，物理层电路130，第二多级隔离电路140(以下称第二隔离电路140)以及mac和上行网络电路150。物理层电路130可以由第一电源117供电，而mac和上行网络电路150可以由第二电源118供电。
优选地，物理接口110可以包括单个连接器或者一组连接器。例如，物理接口110可以包括单个rj-45连接器。物理接口110可以提供从包含用于每个连接器的2到4对电线双绞线的网络电缆105到网络装置100的连接。优选地，网络电缆105中的四对电线双绞线可以经由物理接口110连接到网络适配器100。例如，网络装置100可以经由物理接口110以及通过网络电缆105中的两对双绞线发送数据，并且网络装置100可以经由物理接口110通过网络电缆105中的第二两对双绞线接收数据。优选地，可以使用网络电缆105中的四对以上双绞线经由物理接口110发送和/或接收数据。例如，物理接口110可以使用来自电缆105的四对或更多双绞线将多个连接器连接到网络适配器100。优选地，一根或多根可以以全双工方式进行发送和接收。在前述描述中，一对电线或双绞线包括两根电线。双绞线可以差分驱动，其中绞合可以减少与其他双绞线的串扰并减少辐射发射。
优选地，第一隔离电路120可以在物理接口110与物理层电路130之间提供电压隔离。例如，网络电缆105可以在一端连接到物理接口110，并且在另一端连接到另一个物理接口和网络装置。网络电缆105的另一端可以连接到位于距离100米或一些其它距离的计算机中的网络装置。由于地电位的变化或其他原因，计算机中的其他网络装置可以将网络电缆105中的电线驱动到非零直流电位。例如，与网络装置100相比，双绞线中的两根电线都可以处于50伏直流。根据前述，在没有隔离的情况下，电流可能会由于网络装置100与位于100米外的计算机处的网络装置之间的直流电压的差而流动。优选地，第一隔离电路120可以将物理层电路130与远程计算机处的其他网络装置隔离。隔离电路120可以包括电容器，耦合式磁性元件，光电子元件和/或半导体元件中的一个或多个。第一多级隔离电路120可以消除来自网络电缆105中的一对或多对双绞线的直流电压。第一多级隔离电路120可以在去除直流电压的情况下，将来自网络电缆105的信号提供至物理层电路130。优选地，第一多级隔离电路120提供在2对或4对双绞线上承载的以太网供电(poe)电压的直流隔离。poe电压可以是50伏信号。数据可以作为不被第一多级隔离电路120阻挡的差分信号通过每对电线传输。
在一些示意图实施例中，第一多级隔离电路120可以包括一个或多个光电子隔离电路。例如，物理层电路130可以生成调制的传送信号，以将要在电缆105的双绞线上传送的数据承载至位于电缆105另一端的另一个网络设备。这种光电子隔离电路可以称为光电子耦合器，并且通常可以包括用于发射光的发光二极管或二极管激光器，该光被调制成承载承载数据或者信息的输入电信号；以及光探测器，其被耦合成接收调制的光并将该调制的光转换回承载数据或信息的电信号。这种从电信号到光以及从光到另一个电信号的两级转换，提供了输入电信号与输出电信号之间的隔离。发光二极管可以由物理层电路130驱动，致使光信号产生。光电子隔离器中的光探测器响应发射的光，从而再生用来驱动发光二极管的信号。光电子耦合器的发光二极管侧可以和光电子耦合器的光探测器侧电分离或隔离。对于接收到的信号，具有发光二极管的另一个光电子元件连接到来自由电缆105另一端的另一个网络接口驱动的物理接口110的双绞线。由发光二极管产生的光信号可以由光探测器再生并且作为接收信号提供给物理层电路130。
优选地，第一多级隔离电路120可以包括耦合式磁性元件。耦合式磁性元件可以包括，例如，彼此磁耦合的两个电感器。耦合的电感器中的一个可以由物理层电路130中的驱动器驱动，致使产生耦合到第二电感器的磁场。由第一电感器产生的磁场可以在第二电感器上感生电流，从而再生用来驱动第一电感器的信号。因为电感器为磁性耦合并且只有第一电感器中的电流变化才会在第二电感器上感生电流，所以，两个电感器均为直流隔离，但是允许代表数据的交流信号通过。对于接收到的信号，另一个耦合式磁性元件(诸如耦合的电感器)可以连接到来自物理接口110的双绞线，该物理接口110由电缆105另一端的另一个网络接口处的驱动器驱动。由磁性耦合元件(例如，两个电感器)产生的电流可以被再生并提供给物理层电路130。
优选地，第一多级隔离电路120使得直流电压能够与物理接口110处的双绞线和物理层电路130处的直流电压以及mac和上行网络电路150处的直流电压隔离。同样地，第二多级隔离电路140使得直流电压能够与mac和上行网络电路150，物理层电路130处的直流电压以及物理接口110处的直流电压隔离。在图1的示意图中，物理接口110的105a处的直流电压隔离值可以由连接到电缆105的另一端的一个网络设备的直流电压来确定。如果没有连接电缆105，物理接口110的105a处的直流电压可以是浮动的，或者通过物理接口110或第一多级隔离电路120中的上拉或下拉电阻器或其它电路来设置。这样，网络电路一侧的直流电压可与网络电路另一侧的不同。
优选地，物理层电路130可以包括物理层电路和附加的下行部件。当网络电路位于更接近信号处理链内部的部分时，该网络电路可以称为“上行”电路。例如，mac层在物理层电路的上行；链路层在mac层的上行，等等。
优选地，第二多级隔离电路140可以在物理层电路130和mac与上行网络电路150之间提供电压隔离。第二多级隔离电路140也可以在mac和上行网络电路150和物理层电路130之间承载传输和接收串行数据流的电线。作为具体的实施例，两根差分电线可以将发送串行数据流从mac和上行网络电路150承载到物理层电路130。第二多级隔离电路140可以使用如上所述的电容器、耦合式磁性元件、光电子元件或者半导体元件，隔离两根差分电线中的每一根。优选地，第二隔离电路可以提供比第一多级隔离电路120更大的隔离电压。例如，第二多级隔离电路140可以提供2000伏的击穿电压(或其它电压)，而第一多级隔离电路120可以提供50伏的击穿电压(或其它电压)。优选地，第一多级隔离电路120可以提供600伏的击穿电压(或其他电压)，而第二多级隔离电路140可以提供1500伏的击穿电压(或其它电压)。优选地，两根差分电线可以将接收串行数据流从物理层电路130承载到mac和上行网络电路150，并且两根差分电线可以将传送串行数据流从mac和上行网络电路150承载到物理层电路130。第二多级隔离电路140可以使用如上所述的电容器或其他隔离元件，隔离两根差分接收电线中的每一根和两根差分传送电线中的每一根。因此，作为具体的实施例，四组隔离电路可以将物理层电路130与mac和上行隔离电路150隔离。优选地，第二多级隔离电路140可以在每根发送和接收差分电线的通道中包括一组以上串联连接的隔离电路。例如，两个或多个电容器可以和多级隔离电路140中的一根或多根电线中的每一根串联。例如，在提供传送或接收串行数据流的第二多级隔离电路140中的双轴电缆的每根电线串联两个电容器。，当使用两对双绞线时，可以在第二多级隔离电路140中包括8个电容器，即：(2根电线用于传送+2根电线用于接收)×每根电线2个电容器＝8个电容器。以这种串联方式，实现电线的多级隔离。
优选地，第二多级隔离电路140可以包括高击穿电压元件或电路，诸如具有高介电强度的元件。作为具体的实施例，根据应用和/或适用标准(诸如ieee802.3)，第二多级隔离电路140可能需要经受2000伏电压差。有关以太网要求，请参阅电气和电子工程师协会于2015年发布的《ieee802.3以太网标准》。高击穿电压元件可能会比较低击穿电压的元件更昂贵。因此，减少高击穿电压元件的数量可以降低网络装置的成本。作为具体的实施例，第二多级隔离电路140使得能够以与如上关于第一多级隔离电路120和电压105a和105b所述相同的方式，在105c下将直流电压与105d处的电压隔离。出于与如上关于物理层电路130中的芯片和其他电路引起的105b和105c之间的电压差所述相同的原因，电压105d和105e可能由于mac上行网络电路150中的芯片和其他电路的原因而不同。可以从信号链105-105e增加或去除附加的(或较少的)隔离电路，从而提供附加的隔离的直流电位变化。
优选地，虽然图1描述了两个隔离电路，即第一多级隔离电路120和第二多级隔离电路140，但也可以包括附加的隔离电路。例如，第三隔离电路(图1未示出)可以级联在105d处。第三隔离电路可以在pcb板上适当地灵活安排以便于制造，降低成本。可以按类似的方式增加额外的隔离电路。在增加每个隔离电路时，可以选择与增加的隔离电路相关的另一个独立的电位。另一方面，一些实现方式只能使用一个多级隔离电路来实现隔离电压值的要求。
优选地，每个隔离电路可以提供预定的最大电压隔离。例如，第一多级隔离电路120可以在105a和105b之间提供大于或等于50伏的直流隔离。第二多级隔离电路140可以提供较高的电压隔离，或者较低电压隔离的级联。例如，第二多级隔离电路140可以在105c和105d之间提供大于或等于2000伏的直流隔离。作为具体的实施例，总隔离可以是由105a和105d之间的一系列隔离电路提供的隔离电压的总和。例如，来自第一隔离电路50伏以及来自第二隔离电路2000伏，共计2050伏。以这种方式，可以选择或设计在每个电路(诸如物理层电路130和mac和上行网络电路150)处提供的电压隔离以及每个电路处的直流电压隔离值。
优选地，mac和上行网络电路150包括物理层电路130的上行网络电路，作为具体的实施例，可以使用三个隔离电路，其中，一个隔离电路位于物理接口110和包括物理层电路的下行网络处理之间，另一个隔离电路可以位于物理层电路和mac层电路之间，且位于物理层电路附近，第三个隔离电路可以位于mac层电路和其他上行网络电路附近。附加的隔离电路可以以连接线中高介电材料的形式内置于第二隔离电路和第三隔离电路之间。以这种方式，可以将整个系统电路划分为各种功能模块，其中在模块之间插入隔离电路以达到电压隔离。
优选地，物理层电路可以执行诸如传送器之类功能，以驱动传送线或双绞线。物理层电路的传送器可以将数字数据转换为电缆(诸如网络电缆105)上的模拟信号。物理层电路还可以执行诸如接收器的功能，以经由接收线或双绞线接收信号。物理层电路的接收器可以将电缆(诸如网络电缆105)上的模拟电压或电流转换为数字数据。物理层电路还可以执行其他功能。物理层电路的输出可以是串行数字数据流。例如，物理层电路可以将每秒1万兆位的串行数据流作为接收到的数据提供给mac层。继续之前的示意图，对于要传送的数据，可以从mac层向物理层电路提供另一个每秒1万兆位的串行数据流。作为具体的实施例，物理层电路130可以包括集成电路，用来执行10/100/1000/10000以太网/千兆位/万兆位以太网和/或其他物理层功能。参见如上所述的《ieee802.3以太网标准》。
优选地，mac层电路可以执行诸如多路访问、不同节点寻址、防止错误、帧定界和其他功能之类的功能。来自mac层电路的输入和输出可以是串行数字数据流。例如，物理层电路可以将接收的数据作为每秒1万兆位的串行数据流提供给mac层，并且将数据作为另一个每秒1万兆位的串行数据流传送到物理层电路。作为具体的实施例，mac层电路可以包括集成电路，用来执行10/100/1000/10000以太网/千兆位/万兆位以太网和/或其他mac层功能。
优选地，mac和上行网络电路150可以由第二电源118供电。第二电源118也可以为其他上行网络处理电路(图1未示出)供电。第二电源118也可以为用户接口电路和管理控制电路供电。第二电源118可以为多个mac和上行网络电路150供电。第二电源118可以与第一电源117隔离，并且可以与包括在交换机、路由器或其他设备中的多个网络装置的其他隔离电源隔离。在该配置下，电源118不与第一电源117或物理层电路130共享公共基准，诸如接地基准。物理层电路130可以由第一电源117供电。第一电源117可以与网络装置100的其余部分隔离。例如，电源117可以与电源118隔离，并且与mac和上行网络电路150以及第二多级隔离电路140隔离，并且与其他网络装置隔离。相对于电源118，隔离电源117在绝对电位上可以是“浮动的”。例如，隔离电源117可以抵消来自电源118的电压。在一些示意图实施例中，电源117可以向电源118提供电力，同时保持隔离。作为具体的实施例，可以在仍然提供隔离的同时，在不同的基准电压之间放置隔离设备。作为具体的实施例，一个或多个隔离电路可以包括通电有源设备。通电时，隔离电路可以从下行(或上行)电源接收电力。例如，当第二多级隔离电路140通电时，其可以由第二电源118(第二多级隔离电路140的下行)供电。作为具体的实施例，一个或多个隔离电路包括不通电无源设备。
图1a为高速网络系统中的网络装置的示意图。图1a的描述还涉及图1。参见图1，对物理接口110、第一多级隔离电路120、物理层电路130和电源117和118进行的描述。
优选地，第二多级隔离电路141可以在物理层电路130与mac和另外的网络处理电路150之间提供隔离。图1a为诸如在以太网装置中的高速串行通信。作为具体的实施例，第二多级隔离电路141可以包括不同的隔离部件以适应不同的信号，诸如高速通信、低速通信和/或控制信号。例如，一些信号可以穿过光电子隔离器，而其他信号可以穿过一个或多个电容器或其他隔离部件。多级隔离可以在网络适配器100和另一个网络适配器之间提供直流电压差的隔离，使得直流电流不会流动。图1a中示意图包括的是第二多级隔离电路141内的多个隔离电路。例如，第二多级隔离电路141可以包括与关于图1描述的第二多级隔离电路140类似的高速隔离电路141a。例如，141a可以为从物理层130传递到mac和另外的网络处理150的高速串行信号提供隔离。在141a处的第二多级隔离电路141可以使用高击穿电压电容器来隔离例如关于图1所描述的高速通信。多级隔离电路141可以进一步包括低速隔离电路141b。低速隔离电路141b可以包括不同的并且可能比141a中包括的隔离电路更便宜的隔离电路。例如，141a可以包括电容器，而141b可以包括廉价变压器。第二多级隔离电路141可以进一步包括使控制信号和/或其他信号通过141的器件。作为具体的实施例，可以经由141c中的隔离电路来隔离控制信号。控制信号、低速通信等可以使用成本较低的隔离电路进行隔离。例如，可以使用变压器、或其他磁性设备、或隔离设备的组合，实现各种信号从物理层130传递到mac电路和另外的网络处理电路150的不同隔离和速度要求。
如上所述，用于高速网络系统的隔离电路可以包括用于高速通信的高击穿电压电容器，用于低速电路的廉价变压器，和/或用于控制信号的其它隔离设备中的一个或多个。隔离电路和元件的其他组合可以用于高速通信电路，低速通信电路和/或控制信号电路。在不失一般性的情况下，在图2-12中对一般网络系统进行了描述。图1a中的第二多级隔离电路可以应用于图2-12，用于高速网络电路。
为便于以下描述，本发明的具有多级电隔离的网络设备称之为交换机或路由器的网络装置，图2为本发明的可以是交换机或路由器的网络装置的另一个示意图。图2包括多个物理接口，多个直流隔离电路，多个物理层电路，以及单个多级高压隔离电路、单个mac层电路和上行网络处理。图2的描述还涉及图1和图1a。
如上所述，路由器、交换机或其他网络设备可以包括多个网络装置以连接到多个设备。在图2的示意图中，物理接口(诸如rj-45连接器)包括物理接口110a、110b、110c、110d、110e。也可以使用任何其他数量的物理接口。每个物理接口(诸如物理接口110a)可以将来自网络电缆(诸如网络电缆105f)的2至4根双绞线连接至直流隔离电路，如第一多级隔离电路120a。每个直流隔离电路(诸如第一多级隔离电路120a)还可以连接到物理层，诸如物理层130a。另一个网络电缆(诸如网络电缆105g)可以通过物理接口110b连接到第一多级隔离电路120b，然后连接到物理层电路130b。其它额外的网络电缆、直流隔离电路和物理层电路，可以按相同的方式连接。物理层电路(诸如物理层电路130a-130e)包括传送串行数据流和接收串行数据流。传送串行数据流(诸如到物理层130a-130e传送串行数据流)的组合可以组合成单个流。例如，通过交织各个数据流的方式，可以将多个数据流组合成单个数据流。例如，交错可能导致信号第一位对应于物理层130a，第二位对应于130b，第三位对应于130c，等等。当最后一个串行流信号的第一位被组合成组合流时，可以重复循环。以这种方式，来自图2中的物理层电路130a-130e的接收串行数据流，可以组合成单个组合的接收串行数据流。作为具体的实施例，可以将物理层电路130a-130e包括在具有上述功能的一个集成电路上。单个接收数据流可以通过第二多级隔离电路140，该第二多级隔离电路140可以包括如上所述的一对高击穿电压电容器。从mac层电路160到图2中的物理层电路130a-130e的传送串行数据流，可以组合成单个组合的传送串行数据流。单个传送数据流可以通过第二多级隔离电路140，该第二多级隔离电路140可以包括如上所述的另一对高击穿电压电容器。
优选地，电源180可以为mac层电路160和上行网络处理电路190供电。隔离电源170a可以为物理层电路130a-130e供电。例如，隔离电源170a可以为物理层电路130a、130b、130c、130d和/或130e供电。以这种方式，物理层电路130a-130e可以共享相同的电源。隔离电源170a与电源180以及与电源180关联的上述电路隔离。
为便于以下描述，本发明的具有多级电隔离的网络设备称之为以太网网络装置，图3为本发明的以太网网络装置300的示意图。图3的描述还涉及图1、1a和2。网络装置300包括物理接口310，直流隔离电路320，以太网物理层电路330，高压隔离电路340，以太网mac层电路350和上行网络处理360。
在图3中，以太网物理接口310包括rj-45连接器。以太网物理接口310连接到配对rj-45连接器，该配对rj-45连接器附接到可以包括四对双绞线的以太网电缆。每根电线可以连接到直流隔离电路320中的直流隔离电容器。例如，第一对双绞线的第一根电线可以连接到322a，而第一对双绞线的第二根电线可以连接到322b，第二对双绞线的第一根电线可以连接到322c，而第二对双绞线的第二根电线可以连接到322d。电容器324a-d可连接到两个附加的双绞线。在一些示意图实施例中，使用两个双绞线并且因此使用322a-d或324a-d，并且在其他实施例中，使用四对双绞线并且使用八个电容器322a-d和324a-d。未连接到rj-45连接器的直流隔离电容器322a-d、324a-d的一侧连接到以太网物理层电路330。如上所详述的，以太网物理层电路330由隔离电源180供电。以太网物理层电路可以包括集成电路，用来执行以部分或全部太网物理层功能。以太网物理层电路330可以通过高压隔离电路340连接到以太网mac层电路。以太网物理层电路330可以包括从mac层电路350到物理层电路330的传送串行数据流，以及从物理层电路330到mac层电路350的接收串行数据流。每个串行数据流可以是使用两根电线的差分信号，其中每根电线均连接到高击穿电压电容器。以这种方式，传送串行数据流可以使用两个类似电容器342a和342b之类的高击穿电压电容器，而接收串行数据流可以使用电容器342c和342d。高压隔离电路340可以包括如上所述的高击穿电压电容器。以太网mac层电路350可以接收对应于以太网接收数据的串行数据流，并且以太网mac层电路350可以生成对应于以太网传送数据的串行数据流。进一步地，以太网处理由上行以太网网络处理360执行。
图3a为本发明的隔离互连的示意图。物理层电路330可以通过电线302连接到物理接口，并且连接到隔离互连340。隔离互连340可以进一步连接到mac电路和上行网络处理电路355。
作为具体的实施例，物理层电路330可以包括如上所述的物理层芯片、辅助电路和第一多级隔离电路。在一些示意图实施例中，可以使用廉价的印刷电路板(pcb)工艺，如fr4衬底上四层pcb技术，生产物理层电路330。也可以使用其他材料和层数。330处的材料不必考虑在高频时的损耗特性，因为由于使用并行信号(由4对双绞线承载)，到330的信号的频率较低。
优选地，离开330的信号可以是高速串行信号(一对双绞线用于传送，一对双绞线用于接收)，通过隔离电路(诸如隔离电路323a和323b)传递到连接器326和连接器328，到达mac电路和上行网络处理355。连接器326和328以及隔离电路323a和323b可以具有数个配置。作为具体的实施例，连接器326和328可以包括内置在连接器中的隔离部件，并且323a和323b可以是跳线。在该配置中，连接器326和328中的串联隔离部件构成了如上所述的双部件多级隔离电路。每个隔离部件可以是与如之前附图中描述的相同或不同类型的隔离部件。在其它实现方式中，连接器326和328可以是不包括隔离部件的连接器，而且隔离电路323a和323b可以包括如上所述的两个或更多个串联隔离部件。例如，323a和323b的每一个均可以包括两个串联电容器。在另一个实现方式中，物理层电路330可以包括隔离部件，而mac和上行网络处理电路355可以包括另一个隔离部件。作为具体的实施例，连接器326和328以及323a和323b可以在330和335之间提供直接连接，而不用通过326、328、323a或323b增加隔离。在这种情况下，隔离由包括在330和335中的隔离部件提供。
优选地，mac和上行网络处理电路355可以包括mac层芯片和上行网络处理电路。作为具体的实施例，可以使用高频低损耗电路板材料(pcb)，诸如低损耗衬底上七层或八层pcb，生产mac和上行网络处理电路355。也可以使用其他数量的层。355处的电路板材料在高频段必须是低损耗的，因为从可能包括多个通道信号的物理层电路330离开的高速串行信号进入355的信号的频率较高。通过为物理层电路330采用较便宜的pcb工艺，从而减小mac和上行电路355的尺寸并由此降低330总体的成本。
图4a为本发明的用于提供以太网供电的直流隔离的电路的示意图。图4的描述还涉及图1、1a、2和3。图4a为包括rj-45连接器的物理接口310。网络电缆405插入到提供到四对或八对双绞线的连接的物理接口310。每对双绞线连接到两个相应的高击穿电压电容器。例如，第一对双绞线402a和402b可以连接到直流隔离322a和322b，第二对双绞线404a和404b可以连接到322c和322d，第三对双绞线406a和406b可以连接到324a和324b，并且第四对双绞线408a和408b可以连接到324c和324d。前述电容器的另一侧显示为以太网信号并且包括420处的a+、a-、b+、b-、c+、c-、d+和d-。以太网供电可以经由一个或多个自耦变压器提供，其中自耦变压器的电感器端连接到双绞线。例如，自耦变压器410a的电感器的一端可以连接到电容器322a的网络电缆端，而自耦变压器410a的电感器的另一端可以连接到电容器322b的网络电缆端。自耦变压器410b-410d可以以相同的方式连接到剩余的三对双绞线。自耦变压器的中心抽头可以连接到串联的电容器和电阻器。例如，自耦变压器410a的中心抽头402c提供以太网供电，并且连接到电容器420a和电阻器422a的串联组合。自耦变压器410a、410b、410c和410d的中心抽头对应于以太网供电信号415处的电线402c、404c、406c和408c。
图4b为包括以太网供电的网络装置402的另一个示意图。图4b的描述还涉及图1、1a和2-4a。图4b为一侧连接到网络电缆405的物理接口310以及如图4a所描绘的隔离电路400。电路401可以包括自耦变压器，诸如图4a所示的自耦变压器410a-410d。以太网供电(poe)控制器410可以通过poe信号415、物理接口310和网络电缆405，将电力供应到网络电缆405(诸如接入点)另一端处的以太网设备。例如，poe控制器410可以向425中的两根或四根电线施加功率。通过确定电流以预定施加电压流动，poe控制器410可以确定负载是否附接到网络电缆405的远端。作为具体的实施例，可以经由415来施加电压序列，以确定网络电缆405的远端处的负载。作为具体的实施例，poe控制器410可以向负载提供15瓦特(w)的功率，或者向电缆405的远端处的负载提供30w、60w或100w或另一个量的功率。poe控制器可以由电源170供电，并且上行网络处理190可以由第二隔离电源180a或隔离式直流转换器供电。因此，物理层电路130和poe控制器410可以共享相同的电源而不需要高压隔离，诸如poe控制器410和物理层电路130之间的2000伏隔离。尽管示出了一个物理接口310、直流隔离和自耦变压器电路400以及物理层电路130，但是可以以与图2中所述相似的方式，包括任何数量的物理接口、直流隔离和自耦变压器电路以及物理层电缆。而且，如以上关于图4b和其他附图所描述的，第二多级隔离电路140可以在任何位置处级联或扩展到物理层电路和mac之间的多级隔离电路。
图4c描述的是基于以太网的网络装置401。图4c的描述还涉及图1-4b。该图描述了物理接口模块310连接到设置于直流隔离电路400一侧的网络电缆405，以及设置于另一侧的物理层电路130；电路400可以包括自耦变压器410a-410d.电缆402a,402b,404a,404b,406a,406b,408a,和408b，示意于425；以及与直流隔离电容322a,32b,322c,322d,324a,423b,324c,和324d连接的物理接口模块310，上述电容的另一侧施加以太网络信号a+.a-,b+,b-,c+,c-,d+和d-，示意于420；自耦变压器410a,410b,410c和410d的中心抽头与电缆402c,404c,406c和408c通信连接，示意于415；poe控制器410可以通过poe信号415提供电源，通过物理接口模块310和网络电缆405向连接于网络电缆405另一端的以太网络设备提供电源。例如，poe控制器410可以施加一个以上的电压和/电流于电缆405上，作为具体的实施例，poe控制器410可以根据连接于网络电缆405远端的负载控制电流，作为具体的实施例，连续电压可以通过415进行施加。作为具体的实施例，poe控制器可以提供15w的电能给负载，或者30w，60w或100w或其它数值的电能给所述负载，poe控制器可以由独立的电源180c提供电源，这样，物理层电路130和poe控制器410可以在没有所需的例如在poe控制器410与物理层电路130之间产生的2000v高压隔离情况下分享同样的电能供给，虽然，途中只示意了物理接口模块310，直流隔离模块，自耦变压器电路400，以及物理层电路130，但其它能够实现同样功能的模块也可以推导得出，例如，物理层电路130可以连接到网络处理器195，所述网络处理器是物理层电路130的上行模块电路，网络处理器195的上行模块可以是高压隔离模块140c，例如，网络处理器195可以包括mac(mediaaccesslayer)，作为具体的实施例，mac与物理层电路可以是高压隔离模块140c的下行模块或平行模块，高压隔离模块140c是mac层195和物理层电路130的上行模块，高压隔离电路140c可以在网络处理链接上插入物理层电路的上行模块。
图4d描述的是基于以太网络的网络装置402，与图4c的区别是：直流隔离和自藕变压电路400通常是第一多级隔离电路，自耦变压器400d和高压隔离电路140c通常是一个多级隔离电路140d，本实施例的隔离电路/多级隔离电路选用电容，多级隔离电路的其它元件可以采用140d和/或400d所述。
图4e描述的是基于以太网络的多端口电源系统403，作为具体的实施例，该图的描述还涉及图1-4d，电源系统403包括poe电源模块612，该模块的电源供给来自于端口120vac(未示出)，poe电源模块612可以向高压隔离电路140的下行电路，或第二多级隔离电路提供电源，poe电源模块612也可以向端口电源640a,640b,和/或640c提供电源，虽然图中示意的是上述三个端口电源，但其它端口电源也可以适用，每个端口电源，例如640a可以向高压隔离电路140的下行电路和/或第二多级隔离模块140c/140d如图4b-d示意的网络处理器195，物理层模块130，poe控制器410提供不同的电源，不同的电源也可以提供给包括基于以太网的多端口电源模块642a，时钟模块，物理层电路，输入/输出电路644a，上行/下行模块646a，及其它电路648a，poe电源模块612可以向隔离电源模块或隔离直流-直流转换器615提供电源，该电源也可提供给高压隔离电路140的上行电路和/或第二多级隔离模块140c/140d，电源615也可以向上行网络处理器630和/或其它具有用户界面的网络处理电路提供电源，请参照图4d，电源615可以向包括上行网络处理模块190的第二多级隔离电路140d提供电源，poe电源模块612可以通过poe控制器410和自耦变压器410a-d向连接网络电缆405的以太网络设备提供电源。
图4f描述了基于以太网络的电源系统404，作为具体的实施例，该图的描述还涉及图1-4e，该图示意的是基于以太网络的单端口的电源模块。
图4g描述了基于以太网的多端口电源的另一实施例，该图的描述还涉及图1-4f，图4g描述的实施方式可参照图4e，电源406包括poe(poweroverethernet)电源模块815，例如，供电端来自于120vac(未示出)，poe电源模块815可以向高压隔离电路140的下行电路，或第二多级隔离电路提供电源，poe电源模块815也可向双端口电源提供48v直流电源，每个端口提供给高压隔离电路140的下行电路或第二多级隔离电路不同的电压，所述不同的电压可以包括向多级以太网络电源提供的48v直流电，如842a示意；向时钟模块，物理层电路，输入输出电路提供的3.3v直流电，如844a示意；向上行/下行模块提供1.8v直流电，如846a示意；向外围模块提供直流电压，如848a示意，前述是特定的电压，但根据具体的电路，其也可为其它数值的电压。poe电源模块815也可以向隔离电源模块或隔离直流-直流转换器820提供电源，所述电源也是高压隔离电路140或第二多级隔离电路的电源供给，如图4g所示，电源820也可以向上行网络处理模块830和其它相同功能的电路提供电源，所述其它相同功能的电路例如具有用户界面的网络控制器，及其它相同电路。图5为本发明的方法的示意图。图5的描述还涉及图1、1a、2-4a和4b。在510，接收第一输入。在520，第一隔离电路将直流电压与第一输入隔离以产生第一输出。在530，物理层电路处理第一输出以产生数字输出。在540，利用高压隔离将数字输出与数字输出隔离以产生第二输入。在550，隔离的第二输入由mac处理并且提供给逻辑链路层电路或者其他网络处理。
优选地，在510，接收第一输入。例如，第一输入的电压信号可以通过物理接口(诸如上述物理接口110、110a-110e和/或310)的电线。电线可以是诸如网络电缆105、105f-105j、305和/或405之类的网络电缆中的电线。电压信号可以包括表示数据的调制信号或编码信号。
优选地，在520，第一隔离电路可以提供第一输入的直流隔离以生成第一输出。第一隔离电路可以包括上述直流隔离电路，诸如120、120a-120e、320和/或400。第一隔离电路可以从第一输入去除直流电压以生成第一输出。在一些示意图实施例中，第一隔离电路可以包括击穿电压为50伏、250伏、600伏或任何其他电压的电容器。
优选地，在530，物理层电路可以从第一输出生成数字输出。物理层电路可以包括上述物理层电路，包括130、130a-130e和/或330。
优选地，在540，第二隔离电路为物理层电路的数字输出和到mac层电路的第二输入之间提供多级高压隔离。第二隔离电路可以包括上述高压隔离电路140和/或340。在一些示意图实施例中，第二隔离电路可以包括击穿电压为1500伏或2000伏的高击穿电压电容器。
优选地，在550，mac可以对隔离的第二输入进行处理，产生第二输出并提供给上行网络处理电路(诸如上行处理电路190和/或360)。上行网络处理可以包括逻辑链路层电路。作为具体的实施例，诸如mac层电路160和/或350之类的mac以及上行处理电路190和/或360，可以由第二电源供电，诸如电源180。物理层电路(诸如物理层电路120、120a-120e和/或320)可以由与第二电源隔离的第一电源供电。
图6为本发明的用于使用一个或多个系统芯片集成电路和两个电源的多端口以太网交换机的电路600的示意图。图6的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b和5。系统芯片集成电路620a可以通过物理接口110a从/向电缆105f接收/传送信号。集成电路620a可以处理这些信号。例如，集成电路620a可以包括之前附图中描述的直流隔离电容器120a和/或物理层电路130a。集成电路620a还可以包括一个或多个滤波器，和/或终端电阻器，诸如差分和直流终端电阻器。集成电路620a可以提供如在之前附图中描述的串行数字输入/输出。串行数字输出可以通过第二多级隔离电路140到达上行网络处理190。上行网络处理190可以包括如在之前附图中描述的mac层电路。
优选地，系统芯片集成电路620a可以包括多个物理层电路和直流隔离电容器，以用于与物理接口110a-110c关联的多个以太网信道。作为具体的实施例，电路600可以包括如上所述的多个集成电路620a-620c。
优选地，集成电路620a可以由之前附图中描述的隔离电源170a供电。上行网络处理190可以由另一个电源供电，诸如电源180。在一些示意图实施例中，多个物理接口110a、110b、...、602都可以被称为物理接口块610a，并且可以连接到集成电路620a。集成电路620a可以包含多个直流隔离电路，诸如102a-120e，以及多个物理层电路，诸如130a-130e。在一些示意图实施例中，每个物理接口块(诸如图6中的物理接口块610a-610c)可以分别连接到不同的集成电路620a-620c。在一些示意图实施例中，可以将集成电路620a-620c的串行接收数据流和串行传送数据流组合成单个接收数据流和单个传送数据流，如以上在其他附图中所描述的。作为具体的实施例，组合的传送串行数据流可以从上行网络处理190通过第二多级隔离电路140中的一对电容器，而组合的接收串行数据流可以通过第二多级隔离电路140中的另一对电容器到达上行网络处理190。每个电容器隔离可以通过一系列较低击穿电压电容器进行级联，从而形成多级隔离。在每一级隔离，隔离功能可以是但不仅限于变压器、电容器、光电子隔离元件、耦合式磁性元件、半导体元件的一个或多个，以及其任何组合。
图7为本发明的用于使用系统芯片集成电路、电源和隔离式直流转换器的多端口以太网交换机的电路700的示意图。图7的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5和6。图7与图6类似，除了具有不同的电源配置。在图7中，电源710为集成电路620a-620c供电，并且向隔离式直流转换器720提供电力。隔离式直流转换器720为上行网络处理和网络设备(诸如交换机/路由器控制器和/或用户接口等)所共有的其他电路供电。上行处理和控制器的电力首先流过电源710，然后流到隔离式直流转换器720，以向上行处理190提供适当的电力。
图8为本发明的用于使用系统芯片集成电路和两个电源的多端口以太网交换机的电路的示意图。图8的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5、6和7。图8为集成电路620a-620c，其可以包括第一多级隔离电路120a和/或物理层电路130a，一个或多个滤波器，和/或关于图6所描述的终端电阻器。电路810可以放置在集成电路620a-620c和第二多级隔离电路140之间。电路810可以包括一个将到/来自集成电路620a-620c的串行数据流组合在一起的电路。电路810还可以包含网络系统中所需的其他电路。图8中的电源布置与图6中的电源布置类似，包括两个电源，其中隔离电源170a为包括电路810的第二多级隔离电路140下行的电路供电，而电源180为第二多级隔离电路140上行的电路供电。
图9为本发明的用于使用系统芯片集成电路、电源和隔离直流转换器的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图。图9的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5、6、7和8。图9为如图8所描绘的物理接口块610a-610c，物理接口110a-110b和602，集成电路620a-620c，电路810，第二多级隔离电路140和上行网络处理190。图9中的电源布置与图7中的电源布置类似，其中，电源710向隔离式直流转换器720提供电力。隔离式直流转换器720将第二多级隔离电路140下行的电路与第二多级隔离电路140上行的电路隔离。
图10为本发明的用于使用系统芯片集成电路、电源和隔离直流转换器的具有以太网供电(poe)的多端口以太网交换机的电路的示意图。图10的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5、6、7、8和9。图10为如图8所描绘的物理接口块610a-610c，物理接口110a-110b和602，集成电路620a-620c，第二多级隔离电路140和上行网络处理190。自耦变压器1010a-1010c插入在物理接口110a-110c与集成电路620a-620c之间。以上关于图4a在410a-410d对自耦变压器1010a-1010c进行了描述。图4a中的直流隔离电容器包括在图10中的集成电路620a-620c中。自耦变压器1010a-1010c的中心抽头由以太网供电控制器1020a-1020c驱动。每个以太网供电控制器可以如图4b中410所述执行。以太网供电控制器1020a-1020c可以提供如以上所指出的ieee802.3规范中所描述的线路感测和负载测试。poe电源1030向以太网供电控制器1020a-1020c供电。poe电源1030还可以向诸如集成电路620a-620c之类的第二多级隔离电路140下行的电路提供电力。poe电源1030还可以向隔离式直直流转换器720提供电力，该隔离式直流转换器720为第二多级隔离电路140上行的电路供电。
图11为本发明的用于使用系统芯片集成电路、电源和隔离式直直流转换器的具有以太网供电的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图。图11的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5、6、7、8、9和10。图11为poe控制器1020a-1020c，poe电源1030，直流转换器720，物理接口块610a-610c，物理接口110a-110b和602，集成电路620a-620c，第二多级隔离电路140和上行网络处理190，如图10所示。图11包括相对于图8描述的在集成电路620a-620c和上行网络处理190之间插入的电路810。
图12为本发明的用于使用系统芯片集成电路、电源和隔离直流转换器的具有以太网供电的多端口以太网交换机的电路的另一个示意图。图12的描述还涉及图1、1a、2-4a、4b、5、6、7、8、9、10和11。图12为如图11所描绘的直流转换器720，电路810，物理接口块610a-610c，物理接口110a-110b和602，第二多级隔离电路140和上行网络处理190。图12包括集成电路1210a-1210c。集成电路1210a-1210c包括图11中所示的poe控制器1020a-1020c。电源710可以向位于第二多级隔离电路140下行的电路1210a-1210c和电路810提供电力。电源710可以通过包括在集成电路1210a-1210c中的poe控制器，向自耦变压器1010a-1010c提供poe电力。隔离式直流转换器720可以向第二多级隔离电路140上行的电路提供电力。作为具体的实施例，电路810可以包括集成电路1210a-1210c或620a-620c和第二多级隔离电路140之间的直接连接。
本发明具有许多优点。网络装置包括一个或多个隔离电路以将网络装置处的网络(例如，以太网)信号与网络电缆另一端处的另一个网络装置隔离。可以使用第一隔离电路，并结合第二隔离电路(或单个隔离电路)，来满足诸如以太网之类的网络标准所需的隔离。所述的直流和高压隔离电路通过在网络过程中将高压隔离移动到物理层电路上行的高速串行接口，最大限度地减小了高击穿电压设备的数量。隔离电源为高压隔离电路下行的电路供电，以将高压隔离电路上行的电路与高压隔离电路下行的电路隔离。poe控制器可以由与高压隔离电路下行的电路相同的隔离电源供电，因此不需要附加或单独的隔离电源用于以太网供电控制器。集成电路620a-620c和/或1210a-1210c可以向以太网网络设备提供单芯片解决方案，或单个系统芯片解决方案。
作为具体的实施例，本发明的装置可以包括以太网物理接口，第一多级隔离电路，第二多级隔离电路，物理层电路和网络处理电路。第一多级隔离电路可以将以太网物理接口与物理层电路隔离。第二多级隔离电路可以将物理层与网络处理电路隔离。第一和/或第二多级隔离可以包括但不仅限于以下中的一个或多个：变压器，电容器，光隔离器，射频隔离器，高速数字隔离器或者其任何组合。总隔离值可以由第一隔离电路和第二多级隔离电路提供的隔离之和表示。第一多级隔离电路可以提供与第二多级隔离电路不同的电压隔离。作为具体的实施例，一个或多个隔离电路可以提供零伏的隔离。
本发明还提供一种方法，包括：接收第一输入；在系统芯片处通过第一隔离电路将第一输入端的直流电压与第一输出隔离；在系统芯片处通过物理层电路处理第一输出以产生数字输出；经由第二隔离电路将数字输出与第二输入隔离，其中，第二隔离电路在数字输出和第二输入之间提供高压隔离；以及通过上行网络处理电路处理隔离的第二输入，以产生第二输出，其中，上行网络处理电路由与向物理层电路供电的第二电源隔离的第一电源供电。
优选地，本发明的以太网网络装置包括：物理接口，其连接到网络电缆；系统芯片，其包括具有相关联的第二下行接口和第二上行接口的物理层和网络处理电路；第一隔离电路，其包括第一下行接口和第一上行接口，以隔离物理接口和物理层和网络处理电路之间的直流(dc)电压，其中，第一下行接口连接到物理接口，而第一上行接口连接到第二下行接口；以及以太网供电电路，其由第一电源供电，其中，第一电源通过直流转换器与第二电源隔离，并且其中，以太网供电电路通过网络电缆连接到该装置为以太网设备供电；第二网络处理电路，其具有相关联的第四下行接口和第四上行接口；以及第二隔离电路，其包括第三下行接口和第三上行接口，以在物理层和网络处理电路与第二网络处理电路之间提供高压隔离，其中，第二上行接口连接到第三下行接口，而第三上行接口连接到第四下行接口。第二上行接口、第三下行接口、第三上行接口和第四下行接口为数字接口，其中，第二网络处理电路由与第一电源隔离的第二电源供电，该第一电源为物理层和网络处理电路供电。
优选地，本发明的装置包括：物理层电路，包括第一输入端口和第一输出端口，该第一输入端口接收第一输入信号，该物理层电路处理第一输入信号以在第一个输出端口处产生第一输出信号；隔离电路，包括第二输入端口和第二输出端口，该第二输入端口耦合到物理层电路的第一输出端口以接收第一隔离电压和通过电压，并且允许该通过电压通过隔离电路到达第二输出端口，该隔离电路将第二输入端口处的第一隔离电压与第二输出端口处的第二隔离电压隔离；以及媒体访问控制(mac)电路，包括第三输入端口和第三输出端口，该第三输入端口耦合到隔离电路的第二输出端口，以接收通过电压和第二隔离电压，该mac电路构造成处理通过电压以产生数字数据，其中，mac可操作以确定第二隔离电压，而不考虑第一隔离电压，其中，mac电路由与为物理层电路供电的第二电源隔离的第一电源供电。在实现方式中，隔离电压为直流电压或交流电压。
作为具体的实施例，，本发明所描述的系统、装置、方法和/或制品可以使用以下中的一个或多个来实现：电子组件(诸如晶体管、电感器、电容器、电阻器等)，执行程序代码的处理器，专用集成电路(asic)，数字信号处理器(dsp)，嵌入式处理器，现场可编程门阵列(fpga)和/或其组合。这些各种示意图实施例可以包括在可编程系统上执行和/或解释的一个或多个计算机程序中的实现方式，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，一个输入设备和一个输出设备，该可编程处理器可以是专用的或者通用的，从存储系统接收数据和指令，并且向存储系统传送数据和指令。这些计算机程序(又称程序、软件、软件应用程序、应用程序、部件、程序代码或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并以高级程序型和/或面向对象型编程语言和/或以汇编/机器语言实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、计算机可读介质、计算机可读存储介质、装置和/或设备(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑设备(pld))，包括接收机器指令的机器可读介质。在本文的上下文中，“机器可读介质”可以是可以包含、存储、传递、传播或传输供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机或数据处理器电路系统)使用的或关于其的指令的任何非临时性介质。计算机可读介质可以包括非临时性计算机可读存储介质，可以是包含或存储供指令执行系统、装置或设备(诸如计算机)使用的或关于其的指令的任何介质。此外，本文披露的一些实施例包括被配置成致使本文披露的方法的计算机程序(参见例如图5中的过程500)。
作为具体的实施例，尽管以上已经详细描述了一些变化，但是可以进行其他修改或增加。特别地，除了以上所述的高速数据通信之外，还可以提供进一步的特征和/或变化。如图1a所描绘的，在隔离块之间可能需要控制信号和其他低速总线。使用以上披露的方法(fpga、cpld、soc等)，可以大幅减少和简化低速通信和控制信号的数量。而且，以上描述的示意图实施例可以针对所述的特征的各种组合和子组合和/或以上数个其他特征的组合和子组合。另外，在附图中描绘的和/或在本文描述的逻辑流程不需要所示的特定次序，或者顺序次序，来实现所需的结果。其他实施例可以在所附权利要求的范围内。
类似地，虽然在附图中以特定次序描述了操作，但这不应被理解为要求以所示的特定次序或按顺序次序执行这些操作，或者要求执行所有示出的操作以获得所需的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离。
仅描述了一些实现方式和示意图，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现方式、增强和变化。