数字隔离器提供易于使用的隔离USB选项

通用串行总线 （USB） 是一种流行的个人方法 计算机 （PC） 通过以下方式与外围设备通信 电缆。在某些应用中，需要隔离USB 通信以达到安全要求或中断 接地环路。不幸的是，隔离任务并非微不足道 因为USB电缆上的双向数据流。这 文章讨论了实现轻松的这一挑战和其他挑战 使用隔离的 USB 实现并进行比较 解决 方案。“透明”的理想将影响降至最低 为系统添加隔离，现在有这样的解决方案 可用。讨论的重点是 USB 2.0，它 支持三种数据速率：1.5 Mbps（低）、12 Mbps（全）、 和 480 Mbps（高）。为简单起见，12 Mbps 的情况是 讨论最充分，但该示例中的许多原则 也适用于其他速度。

USB 基础知识

USB受欢迎的一个原因是其简单的4线接口 为外设和串行数据链路供电 在外围设备和 PC 之间。图 1 显示了一个标准 USB 连接。五世总线接地线提供 5V 电源和接地，而D+和D-承载数据。这 信令是双向半双工的，这意味着数据可以 沿电缆沿任一方向流动，但在任何特定方向 时间，最多一个发射器主动驱动电缆。 在通信过程中，USB 发射器驱动 D+ 和 D– 上的差分或单端状态。数据是 组织成数据包，具有特殊的信号序列 指示数据包开始和数据包结束。有时 总线处于空闲状态，这意味着两个发射器都处于活动状态，并且在 这些时候，电阻器连接到电缆的末端 在 D+ 和 D– 建立“空闲”总线状态。空闲状态帮助 初始化一个数据包和下一个数据包之间的总线。他们还 向主机指示外围设备何时连接或 断开连接，以及外围设备所需的通信 速度（1.5 Mbps、12 Mbps 或 480 Mbps）。

图1.全速 （12 Mbps） USB 连接（非隔离）。

隔离 USB 主机和外设的方法

现在想象一下对主机和外围设备进行电气隔离。 如 [1] 中所述，有几种放置 隔离屏障。在所有情况下，必须有多个信号 隔离，信号可能以快速或 双向，具体取决于隔离的位置。 这使得构建的实现变得复杂 分立元件。完整的物料清单可以 变长，可能很难找到离散的 完全符合信令要求。

一种隔离可能性如图2a所示，其中 虚线表示在概念上拆分 USB 的隔离 电缆。有关 D+ 和 D– 状态的信息可以交叉 势垒，但电流没有。 GND1（上游侧的 接地参考）现在是与 GND2 （ 下游侧的地面参考）。不幸的是， 隔离可防止主机“看到”下游 上拉电阻，外设无法“看到”上游 下拉电阻。因此，一些额外的电阻器是 如图 2b 所示，需要模拟 他们的同行跨越隔离。在这个“透明” 概念，主机与周边作品的沟通 与图1的非隔离连接非常相似。这 透明USB隔离器组件，只需插入即可 在其中一个收发器和 USB 电缆之间，沿着 带隔离电源。主机和外围设备 最初设计用于非隔离应用 连接到 USB 隔离器并交换标准 USB 信号，无需重大修改。

图 2a.隔离分离电缆（概念）。

图 2b.隔离分离电缆，显示额外的电阻。

这种方法非常有吸引力，前提是概念可以 真正实施，但存在许多挑战 要克服。例如，独立光耦合器或 数字隔离器通常不提供USB兼容 驱动器特性，或支持双向半双工 通信。许多光耦合器不能以12 Mbps的速度运行 或以上，传播延迟和时序较长 不符合 USB 2.0 计时要求的错误。那里 是稍后描述的其他问题。

现在，让我们转移焦点并考虑不透明 [1] 中讨论的替代方案。而不是平分 带隔离的USB电缆，这些解决方案将隔离 主机或外围设备的硬件内部。它可以去 在 USB 收发器和串行接口引擎之间 （SIE），或介于 SIE 和 USB 控制器之间。这使得 要隔离的单向数字逻辑信号 独立的通用隔离器。但是，有 几个明显的缺点。一、USB收发器 或者必须自定义控制器硬件才能插入 隔离组件。额外的微控制器代码或 USB驱动程序软件的修改也可能是 必填。这给系统设计人员带来了额外的工作， 并且可以显著增加所需的电路板空间，因为这些 解决方案很复杂，需要多个组件。 另一个缺点是整体数据吞吐量可能是 减少，因为数据现在通过一系列发送 USB 收发器和独立隔离的组合 方案。隔离方案可能会增加与 编码和解码为另一种串行格式，例如 SPI，或与速度慢或不精确的时序相关的延迟 隔离组件。

尽管存在这些缺点，但这样的解决方案是唯一的 当难以克服 实施透明 USB 隔离器的挑战。 现在，透明的解决方案可用，其余的 介绍示例如何完全满足 要求。

透明 USB 隔离器要求

USB 隔离器系统必须满足以下几个要求： 实现完全“透明”的操作：

它必须在 与标准 USB 收发器相同，并且 事实包含两个符合 USB 标准的收发器，一个 在隔离栅的每一侧（图3）。

图3.ADuM4160原理框图

它必须管理双向通信 USB电缆通过确保其收发器来确保 在适当的时间发送和接收 准确再现所有驱动和空闲状态。自 准确重现它必须包含的空闲状态 上游侧的上拉电阻，用于模拟 连接到 的上拉电阻的状态 下游外设。它还可能包括下拉 其下游侧的电阻器。巴士 必须监控指示空闲总线的信号， 数据包开始，数据包结束适当 对这些条件做出回应。

USB 隔离器内的信号隔离器组件 必须来回通信 D+ 和 D– 数据 跨越隔离。如果信号隔离器 单向（通常情况），USB 隔离器系统需要多个隔离通道， 一些在下游方向传输，以及 其他在相反的上游传输 方向

信号隔离器必须快速运行且精度高 支持所需 USB 信号速度的时序， 并符合 USB 传播要求 延迟和定时错误。

USB 隔离器的每一侧都应支持电源 由 5V 或 3.3V 电源提供。如果 5V 电源为 前提是，隔离器应获得3.3V 稳压电源适合为该侧的电源供电 USB 收发器。如果提供 3.3V 电源，则 隔离器可以使用它来直接为 USB 供电 收发器并旁路其调节器。

实现透明 USB 隔离器

ADI公司ADuM4160 USB数字隔离器2会见 所有要求，并集成到 16 引脚 SOIC 中 包。框图如图 3 所示。它包含一个 一对 USB 收发器，五个基于 i耦合器的通道 数字隔离、控制逻辑和两个“智能稳压器”。它 还包括一个 1.5kΩ 上游上拉电阻和 15kΩ 下游下拉电阻®

其USB收发器由简化的控制器控制， 不需要完全解码和分析数据包 以支持隔离功能。相反，它可以监视 UD+、UD–、DD+ 和 DD– 用于指示空闲总线的信号， 数据包开始和数据包结束，并使用它们来正确 在忽略数据包的同时启用或禁用 USB 发射器 内容。从主机下游传输数据包时 到外设，图3中的上两个隔离通道 处于活动状态，上游 USB 接收器和下游也是如此 USB发射器。数据从 UD+/UD– 复制到 DD+/DD–。当数据包结束时，数据包结束 检测到序列并禁用所有 USB 发射器， 允许总线达到空闲状态。如果外围设备 随后开始向上游传输数据包，即 USB 隔离器检测数据包开始序列，使能 第三和第四个隔离通道以及上行USB 发射器，并将数据从 DD+/DD– 复制到 UD+/UD– 直到数据包结束。然后公共汽车再次返回空闲状态 关闭所有发射器，等待新数据。

ADuM4160使用第五个隔离通道 在下游传达控制线的状态 边3，激活集成在 上游一侧。这允许下游端口控制 当上游端口连接到 USB 总线时。引脚 可连接到外设上拉、控制线或 VDD2 引脚，具体取决于初始总线连接的时间 被执行。将引脚连接到外设上拉 使其状态能够被上游上拉模拟， ADuM4160的下拉功能模拟了这些下拉功能的状态 连接到主机。复制所有活动状态和空闲状态 从隔离的一侧到另一侧。

隔离通道是使用芯片级的数字隔离器 变压器实现隔离通信。这 每个通道可以运行超过 100 Mbps， 轻松支持 12 Mbps USB“全速”数据。整合 所有通道集中在单个芯片中，可实现对 定时，提供符合 USB 定时要求的低时序误差 要求。通过 ADuM4160相当于通过标准的延迟 USB集线器。静态功耗低于 USB 限制 用于闲置巴士。

智能稳压器支持电源选项 在上述要求 5 中提到，无需 显式用户控制4.为 USB 隔离器的一侧供电 从5V（例如上游侧），5V电源是 连接到相应的 VBUS 引脚（例如 VBUS1），同时 VDD1 未连接。当传感器检测到电压 应用于 VBUS1 但不适用于 VDD1，它们激活 3.3V 为 VDD1 供电的稳压器。

改为从 3.3V 为 USB 隔离器的一侧供电 （例如下游侧），3.3 V电源为 连接到 VBUS2 和 VDD2。当传感器检测到时 同时在两个引脚上施加电压，片上 调节器被禁用，以便直接在外部使用 提供 3.3V。

结论

“透明”USB隔离器，其中隔离 从概念上将USB电缆一分为二，非常易于使用 最初为非隔离设计的 USB 硬件 应用。这与替代方案形成鲜明对比，后者将 主机或外围硬件内部的隔离， 需要大量硬件修改，有时需要 降低 USB 性能。透明概念是 使用分立元件实现非常具有挑战性 比如现成的通用隔离器。然而，最近 ADuM4160等集成解决方案克服了 在一个方便的软件包中挑战，极大地 简化 USB 应用中的隔离添加。

审核编辑：郭婷