通用串行總線 （USB） 是一種流行的個(gè)人方法 計(jì)算機(jī) （PC） 通過以下方式與外圍設(shè)備通信 電纜。在某些應(yīng)用中，需要隔離USB 通信以達(dá)到安全要求或中斷 接地環(huán)路。不幸的是，隔離任務(wù)并非微不足道 因?yàn)閁SB電纜上的雙向數(shù)據(jù)流。這 文章討論了實(shí)現(xiàn)輕松的這一挑戰(zhàn)和其他挑戰(zhàn) 使用隔離的 USB 實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行比較 解決 方案。“透明”的理想將影響降至最低 為系統(tǒng)添加隔離，現(xiàn)在有這樣的解決方案 可用。討論的重點(diǎn)是 USB 2.0，它 支持三種數(shù)據(jù)速率：1.5 Mbps（低）、12 Mbps（全）、 和 480 Mbps（高）。為簡單起見，12 Mbps 的情況是 討論最充分，但該示例中的許多原則 也適用于其他速度。

USB 基礎(chǔ)知識(shí)

USB受歡迎的一個(gè)原因是其簡單的4線接口 為外設(shè)和串行數(shù)據(jù)鏈路供電 在外圍設(shè)備和 PC 之間。圖 1 顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) USB 連接。五世總線接地線提供 5V 電源和接地，而D+和D-承載數(shù)據(jù)。這 信令是雙向半雙工的，這意味著數(shù)據(jù)可以 沿電纜沿任一方向流動(dòng)，但在任何特定方向 時(shí)間，最多一個(gè)發(fā)射器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電纜。 在通信過程中，USB 發(fā)射器驅(qū)動(dòng) D+ 和 D– 上的差分或單端狀態(tài)。數(shù)據(jù)是 組織成數(shù)據(jù)包，具有特殊的信號序列 指示數(shù)據(jù)包開始和數(shù)據(jù)包結(jié)束。有時(shí) 總線處于空閑狀態(tài)，這意味著兩個(gè)發(fā)射器都處于活動(dòng)狀態(tài)，并且在 這些時(shí)候，電阻器連接到電纜的末端 在 D+ 和 D– 建立“空閑”總線狀態(tài)。空閑狀態(tài)幫助 初始化一個(gè)數(shù)據(jù)包和下一個(gè)數(shù)據(jù)包之間的總線。他們還 向主機(jī)指示外圍設(shè)備何時(shí)連接或 斷開連接，以及外圍設(shè)備所需的通信 速度（1.5 Mbps、12 Mbps 或 480 Mbps）。

圖1.全速 （12 Mbps） USB 連接（非隔離）。

隔離 USB 主機(jī)和外設(shè)的方法

現(xiàn)在想象一下對主機(jī)和外圍設(shè)備進(jìn)行電氣隔離。 如 [1] 中所述，有幾種放置 隔離屏障。在所有情況下，必須有多個(gè)信號 隔離，信號可能以快速或 雙向，具體取決于隔離的位置。 這使得構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)變得復(fù)雜 分立元件。完整的物料清單可以 變長，可能很難找到離散的 完全符合信令要求。

一種隔離可能性如圖2a所示，其中 虛線表示在概念上拆分 USB 的隔離 電纜。有關(guān) D+ 和 D– 狀態(tài)的信息可以交叉 勢壘，但電流沒有。 GND1（上游側(cè)的 接地參考）現(xiàn)在是與 GND2 （ 下游側(cè)的地面參考）。不幸的是， 隔離可防止主機(jī)“看到”下游 上拉電阻，外設(shè)無法“看到”上游 下拉電阻。因此，一些額外的電阻器是 如圖 2b 所示，需要模擬 他們的同行跨越隔離。在這個(gè)“透明” 概念，主機(jī)與周邊作品的溝通 與圖1的非隔離連接非常相似。這 透明USB隔離器組件，只需插入即可 在其中一個(gè)收發(fā)器和 USB 電纜之間，沿著 帶隔離電源。主機(jī)和外圍設(shè)備 最初設(shè)計(jì)用于非隔離應(yīng)用 連接到 USB 隔離器并交換標(biāo)準(zhǔn) USB 信號，無需重大修改。

圖 2a.隔離分離電纜（概念）。

圖 2b.隔離分離電纜，顯示額外的電阻。

這種方法非常有吸引力，前提是概念可以 真正實(shí)施，但存在許多挑戰(zhàn) 要克服。例如，獨(dú)立光耦合器或 數(shù)字隔離器通常不提供USB兼容 驅(qū)動(dòng)器特性，或支持雙向半雙工 通信。許多光耦合器不能以12 Mbps的速度運(yùn)行 或以上，傳播延遲和時(shí)序較長 不符合 USB 2.0 計(jì)時(shí)要求的錯(cuò)誤。那里 是稍后描述的其他問題。

現(xiàn)在，讓我們轉(zhuǎn)移焦點(diǎn)并考慮不透明 [1] 中討論的替代方案。而不是平分 帶隔離的USB電纜，這些解決方案將隔離 主機(jī)或外圍設(shè)備的硬件內(nèi)部。它可以去 在 USB 收發(fā)器和串行接口引擎之間 （SIE），或介于 SIE 和 USB 控制器之間。這使得 要隔離的單向數(shù)字邏輯信號 獨(dú)立的通用隔離器。但是，有 幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)。一、USB收發(fā)器 或者必須自定義控制器硬件才能插入 隔離組件。額外的微控制器代碼或 USB驅(qū)動(dòng)程序軟件的修改也可能是 必填。這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了額外的工作， 并且可以顯著增加所需的電路板空間，因?yàn)檫@些 解決方案很復(fù)雜，需要多個(gè)組件。 另一個(gè)缺點(diǎn)是整體數(shù)據(jù)吞吐量可能是 減少，因?yàn)閿?shù)據(jù)現(xiàn)在通過一系列發(fā)送 USB 收發(fā)器和獨(dú)立隔離的組合 方案。隔離方案可能會(huì)增加與 編碼和解碼為另一種串行格式，例如 SPI，或與速度慢或不精確的時(shí)序相關(guān)的延遲 隔離組件。

盡管存在這些缺點(diǎn)，但這樣的解決方案是唯一的 當(dāng)難以克服 實(shí)施透明 USB 隔離器的挑戰(zhàn)。 現(xiàn)在，透明的解決方案可用，其余的 介紹示例如何完全滿足 要求。

透明 USB 隔離器要求

USB 隔離器系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)要求： 實(shí)現(xiàn)完全“透明”的操作：

它必須在 與標(biāo)準(zhǔn) USB 收發(fā)器相同，并且 事實(shí)包含兩個(gè)符合 USB 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器，一個(gè) 在隔離柵的每一側(cè)（圖3）。

圖3.ADuM4160原理框圖

它必須管理雙向通信 USB電纜通過確保其收發(fā)器來確保 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)送和接收 準(zhǔn)確再現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)和空閑狀態(tài)。自 準(zhǔn)確重現(xiàn)它必須包含的空閑狀態(tài) 上游側(cè)的上拉電阻，用于模擬 連接到 的上拉電阻的狀態(tài) 下游外設(shè)。它還可能包括下拉 其下游側(cè)的電阻器。巴士 必須監(jiān)控指示空閑總線的信號， 數(shù)據(jù)包開始，數(shù)據(jù)包結(jié)束適當(dāng) 對這些條件做出回應(yīng)。

USB 隔離器內(nèi)的信號隔離器組件 必須來回通信 D+ 和 D– 數(shù)據(jù) 跨越隔離。如果信號隔離器 單向（通常情況），USB 隔離器系統(tǒng)需要多個(gè)隔離通道， 一些在下游方向傳輸，以及 其他在相反的上游傳輸 方向

信號隔離器必須快速運(yùn)行且精度高 支持所需 USB 信號速度的時(shí)序， 并符合 USB 傳播要求 延遲和定時(shí)錯(cuò)誤。

USB 隔離器的每一側(cè)都應(yīng)支持電源 由 5V 或 3.3V 電源提供。如果 5V 電源為 前提是，隔離器應(yīng)獲得3.3V 穩(wěn)壓電源適合為該側(cè)的電源供電 USB 收發(fā)器。如果提供 3.3V 電源，則 隔離器可以使用它來直接為 USB 供電 收發(fā)器并旁路其調(diào)節(jié)器。

實(shí)現(xiàn)透明 USB 隔離器

ADI公司ADuM4160 USB數(shù)字隔離器2會(huì)見 所有要求，并集成到 16 引腳 SOIC 中 包。框圖如圖 3 所示。它包含一個(gè) 一對 USB 收發(fā)器，五個(gè)基于 i耦合器的通道 數(shù)字隔離、控制邏輯和兩個(gè)“智能穩(wěn)壓器”。它 還包括一個(gè) 1.5kΩ 上游上拉電阻和 15kΩ 下游下拉電阻?

其USB收發(fā)器由簡化的控制器控制， 不需要完全解碼和分析數(shù)據(jù)包 以支持隔離功能。相反，它可以監(jiān)視 UD+、UD–、DD+ 和 DD– 用于指示空閑總線的信號， 數(shù)據(jù)包開始和數(shù)據(jù)包結(jié)束，并使用它們來正確 在忽略數(shù)據(jù)包的同時(shí)啟用或禁用 USB 發(fā)射器 內(nèi)容。從主機(jī)下游傳輸數(shù)據(jù)包時(shí) 到外設(shè)，圖3中的上兩個(gè)隔離通道 處于活動(dòng)狀態(tài)，上游 USB 接收器和下游也是如此 USB發(fā)射器。數(shù)據(jù)從 UD+/UD– 復(fù)制到 DD+/DD–。當(dāng)數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)包結(jié)束 檢測到序列并禁用所有 USB 發(fā)射器， 允許總線達(dá)到空閑狀態(tài)。如果外圍設(shè)備 隨后開始向上游傳輸數(shù)據(jù)包，即 USB 隔離器檢測數(shù)據(jù)包開始序列，使能 第三和第四個(gè)隔離通道以及上行USB 發(fā)射器，并將數(shù)據(jù)從 DD+/DD– 復(fù)制到 UD+/UD– 直到數(shù)據(jù)包結(jié)束。然后公共汽車再次返回空閑狀態(tài) 關(guān)閉所有發(fā)射器，等待新數(shù)據(jù)。

ADuM4160使用第五個(gè)隔離通道 在下游傳達(dá)控制線的狀態(tài) 邊3，激活集成在 上游一側(cè)。這允許下游端口控制 當(dāng)上游端口連接到 USB 總線時(shí)。引腳 可連接到外設(shè)上拉、控制線或 VDD2 引腳，具體取決于初始總線連接的時(shí)間 被執(zhí)行。將引腳連接到外設(shè)上拉 使其狀態(tài)能夠被上游上拉模擬， ADuM4160的下拉功能模擬了這些下拉功能的狀態(tài) 連接到主機(jī)。復(fù)制所有活動(dòng)狀態(tài)和空閑狀態(tài) 從隔離的一側(cè)到另一側(cè)。

隔離通道是使用芯片級的數(shù)字隔離器 變壓器實(shí)現(xiàn)隔離通信。這 每個(gè)通道可以運(yùn)行超過 100 Mbps， 輕松支持 12 Mbps USB“全速”數(shù)據(jù)。整合 所有通道集中在單個(gè)芯片中，可實(shí)現(xiàn)對 定時(shí)，提供符合 USB 定時(shí)要求的低時(shí)序誤差 要求。通過 ADuM4160相當(dāng)于通過標(biāo)準(zhǔn)的延遲 USB集線器。靜態(tài)功耗低于 USB 限制 用于閑置巴士。

智能穩(wěn)壓器支持電源選項(xiàng) 在上述要求 5 中提到，無需 顯式用戶控制4.為 USB 隔離器的一側(cè)供電 從5V（例如上游側(cè)），5V電源是 連接到相應(yīng)的 VBUS 引腳（例如 VBUS1），同時(shí) VDD1 未連接。當(dāng)傳感器檢測到電壓 應(yīng)用于 VBUS1 但不適用于 VDD1，它們激活 3.3V 為 VDD1 供電的穩(wěn)壓器。

改為從 3.3V 為 USB 隔離器的一側(cè)供電 （例如下游側(cè)），3.3 V電源為 連接到 VBUS2 和 VDD2。當(dāng)傳感器檢測到時(shí) 同時(shí)在兩個(gè)引腳上施加電壓，片上 調(diào)節(jié)器被禁用，以便直接在外部使用 提供 3.3V。

結(jié)論

“透明”USB隔離器，其中隔離 從概念上將USB電纜一分為二，非常易于使用 最初為非隔離設(shè)計(jì)的 USB 硬件 應(yīng)用。這與替代方案形成鮮明對比，后者將 主機(jī)或外圍硬件內(nèi)部的隔離， 需要大量硬件修改，有時(shí)需要 降低 USB 性能。透明概念是 使用分立元件實(shí)現(xiàn)非常具有挑戰(zhàn)性 比如現(xiàn)成的通用隔離器。然而，最近 ADuM4160等集成解決方案克服了 在一個(gè)方便的軟件包中挑戰(zhàn)，極大地 簡化 USB 應(yīng)用中的隔離添加。

審核編輯：郭婷