[发明专利]一种全速USB3.0接口隔离保护装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。