一种全速usb3.0接口隔离保护装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种全速USB3.0接口隔离保护装置，包括:主机部、从机部，所述主机部、从机部之间设有高速信号隔离模块、低速差分数据与电源隔离模块、电磁屏蔽模块，所述ESD静电防护模块连接到USB3.端口上，ESD静电防护模块电连接于高速单向差分信号调制解调模块和低速差分数据与电源隔离模块，主机部、从机部的高速单向差分信号调制解调模块之间通过高速信号隔离模块连接，主机部、从机部的ESD静电防护模块之间通过低速差分数据与电源隔离模块连接。本发明不仅能实现真正意义上的通用USB接口的电源与信号隔离，而且大幅度提高了隔离信号的传输速率，使之达到USB3.0 SuperSpeed水平，并且加入了防静电保护，可以防止任一侧的静电干扰，使之在实际应用中有更广泛的实用价值。
【专利说明】
—种全速USB3.0接口隔离保护装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路隔离保护装置领域，具体为一种全速USB3.0接口隔离保护装置。
【背景技术】
[0002]随着工业电子设备对数据交换速度的要求越来越高，越来越多的工业设备也开始使用USB接口，对通讯的可靠性要求也越来越高。但现有的USB通讯电路对抗运行环境干扰的能力差，极易受到工业环境中的静电与电磁波干扰，而且由于工业环境的复杂性，主机端和设备端接口电平可能不同，连接后可能使两侧的设备都无法正常工作，并且任一侧的干扰会沿着USB接口传递到主机/设备端，容易对整个系统造成严重损坏。
[0003]目前在国内外广泛使用的电源与信号隔离保护装置主要分为三种:光电隔离式，变压器隔离式，电容隔离式。
[0004]如中国专利200510043916.6，提供一种光电隔离式串口信号隔离装置，这种装置使用光耦隔离器来传输信号，虽然起到了隔离作用，但是由于光电材料性质限制，传输速度很慢，只能用于串口类低速信号的传输，无法实现高速信号的隔离传输，并且无法实现电源隔离。
[0005]如中国专利201320715627.6，提供一种RS232接口的电容隔离式信号隔离装置，这种装置的电容隔离相比光电隔离，虽然简化了电路设计，降低了成本，但传输速度慢，只能使用RS232低速信号进行传输，通信效率仍然很低，仍无法隔离传输高速信号。并且相比较其他方法而言，隔离电压受电容最大耐压影响，会比较低。而且仍无法隔离电源。
[0006]如中国专利200720305047.4，提供一种使用变压器隔离的USB-TTL信号隔离装置，这种装置使用了变压器隔离，一定程度上提高了传输速度，并且可以隔离电源，但是因为装置设计问题，仍无法达到USB总线的速度标准，本质上仍是串口信号。
[0007]目前，国外有几家半导体公司对于USB2.0信号的隔离提供了解决方案，但是售价高昂，方案设计复杂，极难推广到实际应用。而且，随着USB3.0标准的提出，在USB2.0标准上又增加了 4根高速单向差分信号线，并且对隔离信号的传输速率提出了更高要求，使以上公司的解决方案对USB3.0全部失效。
[0008]目前国内外广泛使用的ESD静电保护装置，均含有较大的二极管PN结寄生电容，无法适应高速信号的传输需求，即使是专为USB接口设计的ESD静电保护装置，也不可避免的会对设备的传输速度造成影响，而且这种分立器件的解决方案由于体积大，存在额外的PCB布线寄生电容，设计布线困难，已经不再可靠。
【发明内容】
[0009]本发明所解决的技术问题在于提供一种全速USB3.0接口隔离保护装置，不仅能实现真正意义上的通用USB接口的电源与信号隔离，而且大幅度提高了隔离信号的传输速率，使之达到USB3.0SuperSpeed水平，并且加入了防静电保护，可以防止任一侧的静电干扰，使之在实际应用中有更广泛的实用价值。
[0010]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种全速USB3.0接口隔离保护装置，包括:主机部、从机部，所述主机部、从机部之间设有高速信号隔离模块、低速差分数据与电源隔离模块、电磁屏蔽模块，所述主机部、从机部内包括高速单向差分信号调制解调模块、ESD静电防护模块、DC/DC稳压模块，所述ESD静电防护模块连接到USB3.端口上，ESD静电防护模块电连接于高速单向差分信号调制解调模块和低速差分数据与电源隔离模块，主机部、从机部的高速单向差分信号调制解调模块之间通过高速信号隔离模块连接，主机部、从机部的ESD静电防护模块之间通过低速差分数据与电源隔离模块连接，低速差分数据与电源隔离模块上连接有DC/DC稳压模块，DC/DC稳压模块设置在从机部，DC/DC稳压模块连接于从机部的ESD静电防护模块，所述主机部、从机部外侧设有电磁屏蔽模块。
[0011]所述高速单向差分信号调制解调模块通过高频全差分运算放大器，实现了 USB3.0接口中两对全差分信号针对传输线变压器的调制解调，并且增强了信号的驱动能力，使高速信号可以驱动高速信号隔离模块中的传输线变压器，或放大经传输线变压器传输过来的信号。
[0012]所述的高速单向差分信号隔离模块，通过两个高频传输线变压器的磁耦合，实现了 USB3.0接口中两对高速单向差分数据线在主机和从机之间的高速信号隔离传输。
[0013]所述的低速差分数据与电源隔离模块使用变压器磁耦合实现了 USB3.0接口中一对低速双向差分信号的隔离传输，并且使用变压器磁隔离实现了 USB接口的电源隔离转换，并为从机侧高速单向差分信号隔离模块提供工作电源。
[0014]所述的ESD静电防护模块在从机侧与数据线和电源线连接，通过高速高性能TVS阵列连接USB3.0的6根高速信号线和4根电源线，对线路电平进行钳位保护，防止静电放电对USB3.0设备工作带来的影响，同时确保设备不因ESD保护而导致工作性能下降。
[0015]所述的DC/DC稳压模块可以有效的吸收电压尖峰，防止工业设备电压波动对设备工作带来的影响，为设备工作提供稳定的工作电压。
[0016]所述的电磁屏蔽模块对上述模块进行电磁信号屏蔽，防止以上模块受到来自外界的干扰，并且避免了工作时产生的电磁信号对其他设备造成干扰。
[0017]与已公开技术相比，本发明存在以下优点:1、本发明使用超高速宽带全差动运算放大器来驱动隔离变压器，实现了对USB3.0高速单向差分数据信号的调制解调，消除了以往信号隔离中调制解调对速度的限制，解决了以往高速信号无法隔离的问题。
[0018]2、本发明使用含铁硅铝磁芯的传输线变压器，来实现USB3.0高速差分信号传输的电气隔离，实现了全速USB3.0信号的隔离保护。
[0019]3、本发明使用隔离型总线收发器来实现对USB3.0接口中低速双向差分数据信号的隔离传输，并且可以自动切换至数据发送或接收状态，防止在双向差分信号线上的数据发送与接收相互影响。
[0020]4、本发明通过DC/DC电源隔离模块实现了完整的高功率电源隔离，进一步提高了隔离性能。
[0021]5、本发明使用高性能TVS阵列对USB信号线提供ESD静电泄放保护，有效避免了工作环境中静电对设备的损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的系统结构示意图。
[0023]图2为本发明的高速单向差分信号调制解调模块电路图。
[0024]图3为本发明的高速信号隔离模块电路图。
[0025]图4为本发明的低速差分数据与电源隔离模块电路图。
[0026]图5为本发明的ESD静电防护模块电路图。
[0027]图6为本发明的DC/DC稳压模块电路图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]如图1所示，一种全速USB3.0接口隔离保护装置，包括:主机部、从机部，所述主机部、从机部之间设有高速信号隔离模块、低速差分数据与电源隔离模块、电磁屏蔽模块，所述主机部、从机部内包括高速单向差分信号调制解调模块、ESD静电防护模块、DC/DC稳压模块，所述ESD静电防护模块连接到USB3.端口上，ESD静电防护模块电连接于高速单向差分信号调制解调模块和低速差分数据与电源隔离模块，主机部、从机部的高速单向差分信号调制解调模块之间通过高速信号隔离模块连接，主机部、从机部的ESD静电防护模块之间通过低速差分数据与电源隔离模块连接，低速差分数据与电源隔离模块上连接有DC/DC稳压模块，DC/DC稳压模块设置在从机部，DC/DC稳压模块连接于从机部的ESD静电防护模块，所述主机部、从机部外侧设有电磁屏蔽模块。
[0030]所述高速单向差分信号调制解调模块通过高频全差分运算放大器，实现了 USB3.0接口中两对全差分信号针对传输线变压器的调制解调，并且增强了信号的驱动能力，使高速信号可以驱动高速信号隔离模块中的传输线变压器，或放大经传输线变压器传输过来的信号。
[0031]所述的高速单向差分信号隔离模块，通过两个高频传输线变压器的磁耦合，实现了 USB3.0接口中两对高速单向差分数据线在主机和从机之间的高速信号隔离传输。
[0032]所述的低速差分数据与电源隔离模块使用变压器磁耦合实现了 USB3.0接口中一对低速双向差分信号的隔离传输，并且使用变压器磁隔离实现了 USB接口的电源隔离转换，并为从机侧高速单向差分信号隔离模块提供工作电源。
[0033]所述的ESD静电防护模块在从机侧与数据线和电源线连接，通过高速高性能TVS阵列连接USB3.0的6根高速信号线和4根电源线，对线路电平进行钳位保护，防止静电放电对USB3.0设备工作带来的影响，同时确保设备不因ESD保护而导致工作性能下降。
[0034]所述的DC/DC稳压模块可以有效的吸收电压尖峰，防止工业设备电压波动对设备工作带来的影响，为设备工作提供稳定的工作电压。
[0035]所述的电磁屏蔽模块对上述模块进行电磁信号屏蔽，防止以上模块受到来自外界的干扰，并且避免了工作时产生的电磁信号对其他设备造成干扰。
[0036]优选地，所述高速单向差分信号调制解调模块，包括Linear公司的LTC6409超高速宽带全差动运算放大器，其增益带宽积达10GHz，并且输入和输出均为全差分结构，可以满足全速USB3.0接口中单向差分数据通道5Gbps的高速差分数据传输要求，通过对差分信号放大输出，可为信号变压器提供高速数据流。
[0037]优选地，所述高速单向差分信号隔离模块，使用两个传输线变压器的高频磁耦合特性，来实现两对高速差分信号传输的电气隔离。其中，传输线变压器的磁性材料采用美磁公司的KM77050铁硅铝磁环，利用其高频损耗小，磁导率高的特性，来满足USB3.0高速差分信号5Gbps的传输速率要求。变压器绕线采用耐压3kv的厚漆漆包线双线并行绕制，进一步减小了闻频损耗，提闻了隔尚性能。
[0038]优选地，所述低速差分数据与电源隔离模块使用Linear公司的LTM2884芯片，内部使用变压器进行数字信号与电源的传输，对于USB3.0接口中的两根低速双向差分数据线进行隔离信号传输，并且会根据数据传输情况自动切换至数据发送或接收状态，防止在同一对差分信号线上的数据发送与接收相互影响；芯片内置的隔离电源对于4.5V?5.5V的输入可产生一个5.0V的隔离输出，并且可以提供2.5kVrms内的隔离电压保护。
[0039]优选地，所述DC/DC稳压模块使用Linear公司的LTC3115四开关同步降压-升压型DC/DC转换器，在2.7V至40V电压范围内提供5V 2A输出，运行时静态电流仅30 μ Α,负载调整率仅为0.1%，显著解决了由于DC/DC电源隔离所带来的电源纹波问题，并且可以对高达40V的电压波动提供保护。
[0040]优选地，所述ESD静电防护模块使用Littelfuse公司的SP3003-02UTG静电保护TVS 二极管阵列，为2行差分数据通道提供±12kV静电保护，结合了低钳位电压和低电容，在提供保护的同时最大限度的减少对正常传输的影响。
[0041]本发明的工作原理为:装置内的电磁屏蔽模块与ESD静电防护模块均为被动模块，无论上电与否，均可为本设备提供电磁屏蔽与静电保护。本装置接入主机侧USB接口后，系统上电，低速差分数据与电源隔离模块中的电源部分和DC/DC稳压模块首先开始工作，为从机侧USB接口，低速差分数据与电源隔离模块中的数据传输部分，以及从机侧信号隔离调制解调模块提供稳定的隔离电源，在上述信号隔离收发模块上电后，就开始对USB3.0接口传输的数据信号进行隔离传输，其中的2对高速单向差分信号经过高速单向差分信号调制解调模块进行差分放大，并通过传输线变压器进行隔离传输，其中的I对低速双向差分信号通过低速差分数据与电源隔离模块内置的隔离差分信号收发器以及信号变压器进行传输，正常工作情况下，USB信号的传输延时在Ins内。
[0042]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种全速USB3.0接口隔离保护装置，包括:主机部、从机部，其特征在于:所述主机部、从机部之间设有高速信号隔离模块、低速差分数据与电源隔离模块、电磁屏蔽模块，所述主机部、从机部内包括高速单向差分信号调制解调模块、ESD静电防护模块、DC/DC稳压模块，所述ESD静电防护模块连接到USB3.端口上，ESD静电防护模块电连接于高速单向差分信号调制解调模块和低速差分数据与电源隔离模块，主机部、从机部的高速单向差分信号调制解调模块之间通过高速信号隔离模块连接，主机部、从机部的ESD静电防护模块之间通过低速差分数据与电源隔离模块连接，低速差分数据与电源隔离模块上连接有DC/DC稳压模块，DC/DC稳压模块设置在从机部，DC/DC稳压模块连接于从机部的ESD静电防护模块，所述主机部、从机部外侧设有电磁屏蔽模块。
2.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述高速单向差分信号调制解调模块通过高频全差分运算放大器，将USB3.0接口中两对全差分信号针对传输线变压器的调制解调，并且增强了信号的驱动能力，使高速信号驱动高速信号隔离模块中的传输线变压器，或放大经传输线变压器传输过来的信号。
3.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述的高速单向差分信号隔离模块，通过两个高频传输线变压器的磁耦合，将USB3.0接口中两对高速单向差分数据线在主机和从机之间的高速信号隔离传输。
4.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述的低速差分数据与电源隔离模块使用变压器磁耦合将USB3.0接口中一对低速双向差分信号的隔离传输，并且使用变压器磁隔离实现了 USB接口的电源隔离转换，并为从机侧高速单向差分信号隔离模块提供工作电源。
5.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述的ESD静电防护模块在从机侧与数据线和电源线连接，通过TVS阵列连接USB3.0的6根高速信号线和4根电源线，对线路电平进行钳位保护，防止静电放电对USB3.0设备工作带来的影响，同时确保设备不因ESD保护而导致工作性能下降。
6.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述的DC/DC稳压模块吸收电压尖峰，防止工业设备电压波动对设备工作带来的影响，为设备工作提供稳定的工作电压。
7.根据权利要求1所述的一种全速USB3.0接口隔离保护装置，其特征在于:所述的电磁屏蔽模块对主机部、从机部进行电磁信号屏蔽，防止主机部、从机部受到来自外界的干扰，并且避免了工作时产生的电磁信号对其他设备造成干扰。
【文档编号】H02H9/04GK104317760SQ201410572419
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】王冠凌, 武峰, 董子汉, 陈强, 吴玉珏, 江柳 申请人:安徽工程大学