CN106610441A - 电容式差分隔离器的失配校准 - Google Patents

电容式差分隔离器的失配校准 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例可以提供一种校准隔离器***的方法。该方法可以包括步骤：驱动共同的信号到隔离器***的一对输入端；测量在隔离器***的输出端的信号的差异；并改变连接在隔离器***的输出端和中心抽头端子之间的阻抗元件的阻抗，直到在输出端的失配最小化。

Description

电容式差分隔离器的失配校准
背景技术
本发明一般涉及电容差分隔离器的失配校准。
要求低功耗，高速隔离通信需要在沟通渠道架构的创新。作为电隔离使用电容器在可提高性能，降低外形，并减少沟通渠道的成本上起着主导作用。
虽然他们应用于差分驱动的隔离器***中，电容器不是固有的差分设备。因此，为了从接收器分离发射器，和从发送器到接收器发送差分信号，电容差隔离器至少需要两个电容器。
当从发射器向接收器发射差分信号时，期望电容差隔离器保持噪声和干扰免疫。如果电容差隔离器的差分路径之间具有阻抗失配，电容性隔离势垒的免疫性能和信号完整性得到显著降解。由于阻抗失配，共模干扰被转换为意想不到的差分信号。这些意外的差分信号不能从预期的差分信号区分开，因此不能被过滤掉。因此，无论是有意和无意的差分信号都发送到接收器。
由于阻抗失配对通信信道的性能具有显著的负面影响，本发明人认识到在本领域中需要在电容差隔离器中校准阻抗失配。
附图说明
图1示出了根据本公开内容的实施例的差分分离***。
图2示出了根据本公开的一个实施例的电容差分隔离器***。
图3示出了根据本公开的一个实施例的电容差分隔离器***。
图4A-4C示出了根据本公开内容的各种实施例的开关实现。
图5示出了根据本公开的一个实施例的测试接收器的框图。
图6示出了根据本公开的一个实施例的测试接收器的电路图。
图7是描绘根据本公开的实施例进行校准的电容差隔离器***的方法的流程图。
具体实施方式
本公开的实施例可以提供一种校准隔离器***的方法。该方法可以包括：驱动共同的信号到隔离器***的一对输入端；测量在隔离器***的输出端的信号的差异；并改变连接在隔离器***的输出端和中心抽头端子之间的阻抗元件的阻抗，直到在输出端的失配最小化。
本公开的实施例可提供一种隔离器***，包括具有一对输出端和在输出端子相连的滤波器的隔离器。该过滤器可包括一对电容器，各自连接到各输出端和彼此，和成对的可变电阻器，每一个连接到相应的输出端并在节点相互连接，其中电容器连接在一起，所述电阻具有失配电阻。
本公开的实施例可提供校准***，包括：信号源，以在隔离器***的一对输入端驱动公共信号；失配检测器，以基于隔离器***的一对输出端的输出信号产生失配信号；以及控制器，改变连接在所述隔离器的输出端之间的阻抗网络的阻抗，直到失配信号被最小化。
图1示出了根据本公开内容的实施例的差分隔离器***100。***100可以包括耦合到测试电路***120的主电路***110。主电路***110可包括桥接隔离层140，并在第一电压域的发射器150和第二电压域的接收器160之间提供通信信道的隔离器***130。测试电路***120可包括测试控制器170，以控制测试发射器180和测试接收器190，并且校准主电路***110的隔离器***130。
在主电路***110中，隔离器***130可以从接收器160电隔离发射器150。因此，发送器150和接收器160可在不同的电位(例如，GND1与GND2)接地，从而防止接地回路(即，防止意外的电流在两个电压域之间流动)。发射器150和接收器160也可从不同的来源(例如，VDD1和VDD2)供电。
发射器150可以经由通过所述隔离器***130提供的差分路径发送差分输入电压VS，导致在隔离器***130的输出端和接收器160的输入端的差分输出电压VL。正如所讨论的，隔离器***130的差分路径之间的阻抗失配可转换共模干扰为非预期的差分信号，这可由于两个电压域之间的寄生电容而存在。这些意外的差分信号可经由隔离器***130传输，并且不希望地和不知不觉贡献于差分输出电压VL。
测试电路***120可校准隔离器***130以抵消隔离器***130的差分路径之间可能的阻抗失配。测试发射器180可以具有被耦合到发射器150的输出端152，154的输出端182，184。类似地，测试接收器190可具有被耦合到接收器160的输入端162，164的输入端子192，194。虽然测试发射器180在图1中示出作为从发射器150分开的分立电路***，如下面讨论的，这不需要在所有实施例的情况。类似地，尽管测试接收器190被示于图1作为从接收器160分离的分立电路***，如下面讨论，这不需要在所有实施例的情况。
在测试电路***120中，测试控制器170可控制该测试发射器180和测试接收器190，并产生控制信号Q以校准隔离器***130。在一些实施例中，测试控制器170可以位于从测试发射器180和/或测试接收器190的单独电压域。在这种情况下，测试控制器170可以通过相应的隔离器195.1，195.2与测试发射器180或测试接收器190进行通信。因此，该测试发射器180可以在第一电压域(即，至VDD1/GND1)和第二电压域内测试接收器190(即，到VDD2/GND2)内联接。测试控制器170的设备可以在第一或第二电压域内被耦合。
当发射器150被禁用(即，VS＝0)，测试控制器170可使能该测试发射器180和测试接收器190(例如，分别用信号EN1和EN2)。启用后，测试发射器180可以提供通用的测试电压VT(例如，相同的单端电压)，以隔离器***130的两种不同路径。测试电压VT可复制***100在运行时操作可经历的共模瞬变。可替代地，单一的(尽管相对较高的幅度)电压(未示出)可应用于两个电压域的两个地面(即，GND1与GND2)，以复制共模干扰。如果阻抗失配存在于隔离器***130的差分路径中，测试电压VT可在隔离器***130的输出诱导差分输出电压VL。
测试接收器190可以检测输出电压VL的失配，并且可以从中产生失配信号δ。作为响应，测试控制器170可产生控制信号Q来调节一个或两个隔离器***130的差分路径中的阻抗，直到失配信号δ表示失配最小化。
测试电路***120可运行，以在第一时间运行发射器150之前校准隔离器***130，并且在寄存器中存储校准信息(在测试控制器170，例如)。此后，直至呼叫(按需或根据预定的时间表)以运行并更新校准信息，测试电路***120可保持休眠。更新校准信息可以被期望，以解决隔离器***130的部件随着时间推移的老化和值漂移。在校准之间，每当主电路***110被重新初始化或重新启动，存储在寄存器中的校准信息可用于调整隔离器***130的差分路径的阻抗。
在实践中，第一和第二电压域经常被制造在分离的半导体管芯。隔离器***可以设置在半导体管芯中的一个，或第一电压域或第二电压域的任一个，或者可以被分成两部分，一个在每个管芯。可替换地，该隔离器可设置在从第一和第二电压域的管芯分开的第三半导体管芯。测试电路***120可以应用于任何结构的主电路***的应用。
在第一配置中，测试电路***120可永久地连接到主电路***110。在此实施例中，测试发射器180可制造在共同的半导体管芯作为发射器150，和测试接收器190可制造在共同的半导体管芯作为接收器160。测试电路***120可在主电路***110的操作的预定时间变得可操作，诸如该装置的启动时和/或以预定的间隔。但是，在主电路***110的运行时间操作，测试电路***120可处于休眠状态。测试控制器170可确定隔离器***的校准状态，该***可以保持在适当位置，除非由新的校准操作将其覆盖。
在第二配置中，测试电路***120可以是分立的测试***，它从主电路***110完全分开。测试电路***120可以耦合到主电路***110，通过校准操作运行，然后分离。在这样的情况下，隔离器***130的校准设置可以持续存储在隔离器***130内，例如寄存器。
图2示出了根据本公开的一个实施例的电容差分隔离器***200。隔离器***200可以是图1所示的隔离器***130的示例。隔离器***200可以包括在隔离电容器C1.1，C1.2的形式的一对隔离器，其桥接隔离屏障210，和包括连接在隔离电容器C1.1，C1.2之间的一对滤波电容器C2.1，C2.2的过滤器220，和也连接在隔离电容器C1.1，C1.2的输出端之间的一对电阻R1.1，R1.2。滤波电容器C2.1，C2.2和电阻R1.1，R1.2可以在中心抽头端子222连接在一起。在一些实施例中，滤波电容器C2.1，C2.2可以省略，尽管***中存在的寄生电容可提供和滤波电容器C2.1，C2.2的类似效果。
如该图2所示，每个隔离电容器C1.1，C1.2可以桥接隔离层210。因此，隔离电容器C1.1，C1.2的输入端230.1，230.2可以接受在第一电压域的差分输入信号VS，并且隔离电容器C1.1，C1.2的输出端240.1，240.2可输出差分输出电压VL到正在从第一电压域分离的第二电压域中。该中心抽头端子222可耦合在第二电压域内的一个共模电压基准(表示为图2的接地GND2)。
理想的是，隔离电容器C1.1，C1.2将具有相同的电容，所述滤波电容器C2.1，C2.2将具有相同的电容，以及电阻R1.1，R1.2将具有相同电阻值，使得隔离器***200可以提供差分路径250.1，250.2具有相同的阻抗。在实践中，然而由于制造变化和其他因素的影响，电容和电阻可以不完全匹配，导致差分路径250.1，250.2之间的阻抗失配。如所讨论的，差分路径250.1，250.2之间的阻抗失配可转换共模干扰到意外差分信号。这些意外的差分信号可经由隔离器***200传输，并且不希望地和不知不觉向差分输出电压VL。
因此，隔离器***200可以被实现为使得电阻R1.1，R1.2的电阻可以校准操作期间变化。如相对于图2所讨论。如图1所示，隔离器***200可以接收控制信号Q来调整电阻R1.1，R1.2，从而调整一个或两个差分路径250.1，250.2的阻抗，直到阻抗之间的失配电阻被最小化。
图3示出了根据本公开的一个实施例的电容差隔离器***300。隔离器***300可以是图1所示的隔离器***130的一个示例。更具体地，隔离器***300可以是如何实现图2的可变电阻R1.1，R1.2的示例。
类似于图2中的隔离器***200，隔离器***300可以包括一对隔离电容器C1.1，C1.2，其桥接隔离阻障310和过滤器320，其可以由滤波电容器C2.1，C2.2连接的输出之间的一对隔离电容器C1.1，C1.2，以及也连接在隔离电容器C1.1，C1.2的输出端之间一对固定电阻R1.1，R1.2的终端。在一些实施例中，滤波电容器C2.1，C2.2可以省略，尽管本***中的寄生电容可提供滤波电容器C2.1，C2.2的类似效果。此外，过滤器320可以包括多个使能选择性地短路路径，每一个具有串联开关(S2.1...SN.1，S2.2...Sn.2)的电阻器(R2.1...Rn.1，R2.2...Rn.2)，以及每个连接电阻R1.1，R1.2之一。选择性启用电阻R2.1...Rn.1，R2.2...Rn.2可以具有不同的电阻值；例如，它们可根据二进制加权分布而变化。固定电阻R1.1，R1.2和选择性启用电阻R2.1...Rn.1，R2.2...Rn.2统一可限定过滤器320的电阻成分。过滤电容器C2.1，C2.2，电阻R1.1，R1.2以及多个电路路径可以在中心抽头端子322连接在一起。
隔离电容器C1.1，C1.2可在它们的输入端330.1，330.2接受从第一电压域的差分输入电压Vs，和在其输出端340.1，340.2输出在第二电压域的差分输出电压VL。因此第一电压域是从第二电压域电隔离。该中心抽头端子322可以被耦合在第二电压域(图2中示为接地GND2)内的共模电压基准。
在隔离器***300中，通过使能横跨电阻器R1.1，R1.2的一个或多个电阻器R2.1...Rn.1，R2.2...Rn.2，差分路径350.1，350.2之间的阻抗失配可以在校准操作过程中被最小化，以有效地降低总电阻。电阻R2.1...Rn.1，R2.2...Rn.2中的一个可通过使得相应开关在关闭状态而跨越相应电阻R1.1，R1.2进行连接。
图4A-4C示出了根据本公开内容的各种实施例，图3的开关S2.1...SN.1，S2.2...Sn.2的实现。虽然图4A-4C示出了单一的开关/电阻器对，该说明的实现可以扩展到这里所示的多电阻配置。
在图4所示的第一配置中，开关可被实现为晶体管Sn，通过各自的可熔链接F1，F2，在校准操作之前，其栅极被连接到高电压源(例如，VDD2)或低电压源(例如，GND2)。在校准过程中，如果确定该开关的关联电阻Rn启用，熔线F1，F2可以以一种方式打开，使开关Sn是导电的。可替代地，如果确定该交换机的关联电阻Rn中应禁用，另一可熔链路F1，F2可以以一种方式打开，使开关Sn是不导电的。
图4B示出了第二配置，其中所述开关还可以被实现为晶体管Sn。在本实施例中，然而，开关Sn可以根据被存储在寄存器410的开关设定值进行控制。在校准期间，如果确定该开关的关联电阻Rn应启用，值可以被存储在寄存器410，当输出到开关Sn，导致开关Sn是导电的。可替代地，如果确定该开关的关联电阻Rn中应禁用，值可以被存储在寄存器410中，当输出到开关的Sn导致开关Sn是不导电的。寄存器410可以有其他的存储位置，以存储控制在过滤器220，320等开关的值(图2，图3)。寄存器410可以为非易失性存储器，它允许开关的控制值被持久地存储在隔离器***内，但也允许控制值有时改变。因此，如果隔离器***200，300的失配属性在适当的时间改变，例如，隔离器***内的部件的老化，补偿效应可以在***的过滤器220，320内执行(图2，图3)。
在图4C中所示的第三配置中，开关本身可以被实现为可熔链路Fn。在校准过程中，如果判定为关联的电阻Rn中应启用，可熔链路Fn可以保持关闭。替代方案中，如果确定该交换机的关联电阻Rn中应禁用，可熔链路Fn可被打开。
为了了解如何调整隔离器***的总电阻，如所示图2和3的那些，可以尽量减少其差分路径之间的阻抗失配，看差分输出电压VL和差分输入电压VS之间的关系是有益的。在拉普拉斯域中，假设相同电容和相同的电阻(即，C1.1＝C1.2＝C1，C2.1＝C2.2＝C2，R1.1＝R1.2＝R1)，该关系可以被表示如：
τxy＝RxCy (2)
等式(1)的传递函数的AD(S)可被分解成相关的两个差分路径(例如，250.1，350.1)之一的上半传递函数ADU(s)和相关的其它两个差分路径(例如，250.2，350.2)的下半传递函数ADB(s)：
如果隔离器***在其输入端接收通用的测试电压VT(如由图1中的测试发射器180提供，以复制共模干扰)，而不是差分输入电压VS，传递函数ADU(s)和ADB(s)类似地可以用于关联输出电压VL与公共测试电压VT为：
VL(s)＝ADU(s)(VT(s))-ADB(s)(VT(s))＝(ADU(s)-ADB(s))VT(s) (4)
当两个差分路径之间没有阻抗失配，则传递函数ADU(s)和ADB(s)等同于方程(1)的传递函数AD(S)，并可在方程(4)取消彼此(即，ADU(s)-ADB(s)＝0)。在这样的情况下，共同的测试电压VT可不会对所述差分输出电压VL具有任何影响。然而，如果存在阻抗失配，所述传递函数ADU(s)和ADB(s)可以是不同的(即，ADU(s)-ADB(s)≠0)；在这种情况下，公用测试电压VT可在隔离器***的输出端转化为差分电压。例如，如果传递函数ADB(s)的时间常数为是τ11，并且ADU(s)是τ11+Δτ11，等式(4)可得：
当Δτ11＝0时，即当两个差分路径之间没有阻抗失配，等式(5)的右手项为零。因此，目标是尽量减少两个差分路径的时间常数之间的失配Δτ11，以尽量减少共模干扰到差动输出电压VL的贡献。基于式(2)，错配Δτ11可以由对电阻R1.1，R1.2和一对隔离电容器C1.1，C1.2之间的一个或两个失配引起。虽然图2和3的隔离器***解决调节电阻R1.1，R1.2的有效电阻以最小化差分路径之间的阻抗失配，然而本领域技术人员将理解的是，该阻抗失配也可以通过调整隔离电容C1.1，C1.2的有效电容最小化。
图5是根据本公开内容的实施例的测试接收器500的框图。测试接收器500可以是图1的测试接收器190的示例，并且可以基于在其输入端接收的VL的差分输出电压生成和输出错配信号δ。测试接收器500可以包括放大器510以放大差分输出电压VL，平方器520以放大电压，以及整流器530以调节所述平方电压到失配信号δ。
差分输出电压VL可以被馈送作为差动输入电压对Vi+/Vi-到放大器510。放大器510可以放大该输入信号对Vi+/Vi-，并提供差分输出信号对Vo+/Vo-到平方器520。在实施方式中，放大器510可提供为串联耦合以放大的差动输出电压VL的一个或多个放大器。
平方器520可以产生电压Vsq，其成比例于差分输出电压对Vo+/Vo-的平方；即Vsq∝(Vo+-Vo-)2。整流器530可接着产生电压Vrec，其可以代表电压Vsq的包络线。随着差分输出电压VL增加，电压Vrec的幅度可增加。换句话说，随着隔离器***的差分路径之间的阻抗失配(例如，200，300)的增加，该电压Vrec的大小可能增加。因此，差分路径之间的阻抗失配可以通过最小化电压Vrec的幅度最小化。测试接收器500可输出电压Vrec作为失配信号δ。可用于最小化失配信号δ的算法在图7中描绘和下面讨论。
图6是根据本公开内容的实施例的测试接收器600的电路图。测试接收器600可以包括放大器610以放大差动输出电压VL，平方器620以放大电压，以及整流器630以调节所述平方电压成失配信号δ。基于在其输入端接收的差分输出电压VL，测试接收器600因此可以生成并输出失配信号δ。
放大器610可以是共源晶体管基(M1/M2)的差分放大器。施加至测试接收器600的输入端的差分输出电压VL可被供给作为差动输入电压对Vi+/Vi-到放大器610的输入。放大器610可以放大差分输入电压对Vi+/Vi-，并提供差分输出电压对Vo+/Vo-到平方器620。放大器610可以由门信号g1和g2被启用。晶体管M1/M2可以在电压Vbias偏置。如所讨论的，用于放大器610中的电路可以被复制和级联，并根据需要适当地放大差分输出电压VL。
平方器620可以从放大器610接收差分输出电压对Vo+/Vo-，并产生正比于(Vo+-Vo-)2的电压Vsq。平方器620可通过栅极信号G3和G4被启用。
整流器630可包括晶体管M3，以在其栅极接收由平方器620的电压Vsq，和并联连接并且连接到晶体管M3的源极的电阻Rrec和电容器Crec。晶体管M3可以工作，以在其源极提供表示电压Vsq的包络电压Vrec。电压Vsq超过其阈值电压和电压Vrec之和时，晶体管M3可以导通。电阻Rrec和电容器Crec的并联组合可作为低通滤波器，以减缓电压Vrec的峰值的衰减，从而理出电压Vsq的包络。随着差分输出电压VL增加，电压Vrec的幅度可增加。换句话说，随着隔离器***的差分路径之间的阻抗失配(例如，200，300)增加，该电压Vrec的大小可能增加。因此，差分路径之间的阻抗失配可以通过最小化电压Vrec的幅度而最小化。测试接收器500可输出电压Vrec作为失配信号δ。可用于失配信号δ最小化的算法在图7中描绘和下面讨论。
图7是描绘根据本公开的实施例，用于校准电容差隔离器***(例如，隔离器***130和300)的方法700的流程图。方法700开始于步骤702，在那里它使能发送器和接收器(例如，图1的测试发射器180和测试接收器190)，使得所述发射器驱动穿过隔离器***的公共信号。在步骤704，方法700接收来自接收器的失配信号δ。在步骤706中，该方法存储对应于接收的失配信号δ的隔离器***的切换状态信息。最初，这种开关的状态信息可以对应于所有的开关处于打开状态(例如，在图3中，开关S2.1...SN.1，S2.2...Sn.2被打开)。然后，在步骤708，方法700产生控制信号Q来关闭开开关之一。在步骤710，方法700确定所有的开关是否被关闭。如果所有的开关都没有闭合，方法700重复步骤704-708，直到所有的开关闭合，然后再前进到步骤712。在步骤712，方法700接收的失配信号δ和，在步骤714，存储切换对应于接收的失配信号δ的状态信息(即，所有的开关闭合)。方法700在步骤716结束，其中它选择对应于最小失配信号δ的开关状态信息，并将其存储到寄存器(例如，包括在测试控制器170的寄存器)。在运行期间，根据存储在所述寄存器中的开关状态信息，隔离器***的每个开关可以被关闭或保持打开。
方法700可以由图1的测试控制器170来进行，例如，以产生和输出控制信号Q，以减少从测试接收器190(或500,600)接收到的失配信号δ。
方法700的讨论中提出参考图1的差异分离***100和图3的隔离器***300。但应理解，方法700不限于图1和3的具体实施例。方法700还可以发现在采用其它部件，例如变压器，用于隔离其他架构的应用程序。例如，在隔离变压器的输入输出端子的寄生电容和由隔离变压器驱动的接收器的输入端可产生时间常数未完全匹配的差分通路。其结果是，类似于***100，200和300，共模瞬变可在接收器被转换成差分电压。因此，如以上所讨论的校准失配方法700可以被应用。
本公开的若干实施例具体说明和/或本文中所描述。然而，可以理解，本公开的修改和变化是由上述教导以及所附权利要求的范围限定，而不脱离预期本公开的精神和范围。与上述原理一致的进一步变化是可允许。

Claims (14)

1.一种校准隔离器***的方法，包括：
驱动共同的信号到隔离器***的一对输入端；
测量在隔离器***的输出端的信号的差异；和
改变连接在隔离器***的输出端和中心抽头端子之间的阻抗元件的阻抗，直到在输出端的失配最小化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，改变包括：选择性地启用和禁用从各自的输出端和中间抽头端子平行延伸，并包含各阻抗元件的电路路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括，当确定最小化的失配时，在与该隔离器***相关的寄存器中存储表示启用和禁用的电路路径的数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，每个电路路径包括其自身的阻抗和开关。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，驱动和测量发生在由隔离器***中分离的两个潜在域。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过放大、平方以及整流在输出端子的输出信号而生成失配。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述隔离器***包括交叉隔离层屏障的一对电容器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述隔离器***包括跨越隔离屏障的变压器。
9.一种校准***，包括：
信号源，驱动横跨于隔离器的一对输入端的通用信号；
失配检测器，以基于在隔离器的一对输出端的输出信号，而产生失配信号；和
控制器，改变连接在所述隔离器的输出端之间的阻抗网络的阻抗，直到失配信号被最小化。
10.根据权利要求9所述的校准***，其中，所述阻抗网络包括：
一对阻抗元件，每个连接到相应的输出端和彼此；和
一对可变电阻器，每一个连接到相应的输出端和节点的对方，其中一对阻抗元件被连接在一起，所述电阻器具有失配的电阻。
11.根据权利要求10所述的校准***，还包括耦合到所述一对可变电阻的可变电阻器的开关晶体管。
12.根据权利要求10所述的校准***，还包括耦合到所述一对可变电阻的可变电阻器的可熔链接。
13.根据权利要求9所述的校准***，其中，所述隔离器包括一对交叉的隔离层电容器。
14.根据权利要求9所述的校准***，其中，所述隔离器包括跨越隔离屏障的变压器。
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