无隔离USB端口保护的替代集成解决方案

USB 是一种四线接口，用于将上游主机/充电器连接到下游设备（图 1）。VBUS （+5 VDC） 和 GND （0V） 是电源引脚，而 D+ 和 D- 用于差分或单端数据传输。数据被组织成数据帧或数据包。每个帧都可以包含用于时钟同步、数据类型标识符、设备地址、数据有效负载和数据包结束序列的位。使用一系列不同外形尺寸的连接器以 1.5Mbps（低速）、12Mbps（全速）或 480Mbps（高速）的速度进行数据传输。A、B、mini-B 和 micro-B 型是最常见的连接器类型。

图 1. USB 接口框图。

传统 USB 保护选项的效果如何？

USB 数据结构的控制由串行接口引擎 （SIE） 在电缆的每一端处理。这种专用控制器或较大控制器的子集通常包括处理 USB 协议的 USB 收发器硬件。当外围设备首次连接到电缆时，SIE 会向主机提供配置信息和电源要求。在操作过程中，SIE 根据所需的传输速度格式化所有数据，并提供错误检查和故障处理。SIE 处理总线流控制以及根据需要启用或禁用线路驱动器和接收器。主机启动所有事务，然后遵循主机和外围设备之间的一系列数据交换。这包括有关数据何时损坏或可能发生的其他故障的规定。

USB 数据通道保护的通用 IC 解决方案使用工艺隔离技术来确保高压设备和低压设备之间不存在电流路径。这涉及在控制器之间的位置使用隔离 IC（图 2）。

图 2. USB 控制器之间的隔离。

虽然这确保了 USB 端口可以继续正常运行，即使暴露在高达 5kV 的电压下，这种方法也只允许高达 12Mbps 的数据传输速率。

一些 IC 解决方案的局限性在于它们仅提供上游保护（即，主机端受到保护，但下游设备不受保护）。此外，一些隔离 IC 保护数据传输引脚 （D+/D） 但不保护电源引脚 （VBUS/GND）。可以使用分立元件构建更小的定制 USB 保护电路。但是，由于需要许多组件，因此该解决方案非常复杂，同时仍仅允许以 12Mbps 的速度传输数据。

显然，这些都不是您问题的理想解决方案。

无需隔离即可实现您所需的保护

幸运的是，我们可以为商业和工业设备提供 USB 端口保护的替代集成解决方案，如图 3所示。

图 3. MAX22505 USB 保护解决方案。

MAX22505 USB保护解决方案保护USB端口免受故障影响，同时允许高达480Mbps的数据传输速率。如果暴露在工业和商业环境中通常遇到的电压水平（±24V AC 或 ±40V DC）下，该器件可确保 USB 端口得到充分保护。在导致 USB 端口与高压接触的接线故障的情况下，该 IC 通过有效地“开路”与端口的连接做出响应，从而保护上游主机和任何连接的下游设备。在故障解决之前，不能进行数据传输。另一个好处是节省电路板空间。该解决方案只需要 120mm 2的面积，表示节省 20% 到 50%（与其他解决方案相比）。此外，所有 USB 端口引脚在发生故障时都受到保护（电源为 ±50V DC，数据为 ±40.7V），无需配置。您可以通过评估套件评估 IC。MAX22505EVKIT具有一个高功率外设部分、一个低功耗外设部分和一个大功率主机部分，每个部分都展示了 USB 总线对 USB 线路上过压条件的保护。

审核编辑：郭婷