通用串行總線(USB)是個人計算機(PC)通過電纜與外設實現通信的常用方法。某些應用中，需要隔離USB通信以滿足安全要求，或中斷接地環路。遺憾的是，隔離任務不易完成，因為USB電纜上有雙向數據流。本文將討論這個問題，並探討實現易於使用的隔離式USB方案麵臨的其他挑戰，最後對解決方案進行比較。一個理想的“透明”解決方案能將隔離對係統的影響降至最低，目前我們就可以提供這種解決方案。本文討論的內容針對USB 2.0
，支持三種數據速率： 1.5 Mbps(低速)
、12 Mbps(全速)和480 Mbps(高速)。為簡便起見，將詳細探討12 Mbps的情況
，但示例中的很多原理同樣適用於其他速度。

 

圖1. 全速(12 Mbps) USB連接(非隔離式)
 

 

USB廣受歡迎的一個原因是它具有簡單的4線式接口，能夠為外設供電，並在外設與PC之間提供串行數據鏈路。圖1顯示標準的USB連接。VBUS和GND線提供5 V電源和接地

，而D+和D–則ze承cheng載zai數shu據ju。信xin號hao發fa送song方fang式shi為wei雙shuang向xiang半ban雙shuang工gong
，表biao示shi數shu據ju可ke在zai任ren一yi方fang向xiang沿yan電dian纜lan傳chuan輸shu
，但dan任ren意yi特te定ding時shi刻ke最zui多duo隻zhi有you一yi個ge發fa送song器qi主zhu驅qu動dong電dian纜lan。通tong信xin期qi間jian
，USB發送器驅動差分或單端狀態至D+和D–。數shu據ju以yi分fen組zu的de形xing式shi進jin行xing組zu織zhi，並bing用yong特te殊shu信xin號hao序xu列lie表biao示shi分fen組zu開kai始shi和he分fen組zu結jie束shu。有you時shi總zong線xian處chu於yu空kong閑xian狀zhuang態tai，也ye就jiu是shi說shuo沒mei有you激ji活huo任ren何he發fa送song器qi
，時shi連lian接jie電dian纜lanD+和D–端點的電阻將建立“空閑”總線狀態。空閑狀態協助對分組之間的總線進行初始化它們還用來向主機指示外設的連接與斷開狀態，以及外設所需要的通信速度(1.5 Mbps、12 Mbps或480 Mbps)。

 

 

現在
，請想象一下主機和外設的電氣隔離。如[1]所suo述shu
，隔ge離li柵zha的de位wei置zhi可ke以yi有you數shu個ge選xuan項xiang。無wu論lun哪na種zhong情qing況kuang，都dou應ying隔ge離li多duo個ge信xin號hao，並bing且qie信xin號hao的de運yun行xing速su度du可ke能neng較jiao快kuai，或huo者zhe信xin號hao可ke能neng是shi雙shuang向xiang的de。這zhe取qu決jue於yu在zai何he處chu進jin行xing隔ge離li。這zhe使shi得de基ji於yu分fen立li器qi件jian構gou建jian的de解jie決jue方fang案an變bian得de更geng為wei複fu雜za。完wan整zheng的de物wu料liao清qing單dan可ke能neng更geng長chang
，並bing且qie有you可ke能neng很hen難nan找zhao到dao完wan全quan滿man足zu信xin號hao傳chuan送song要yao求qiu的de分fen立li器qi件jian。

 

圖2a. 隔離分割了電纜(概念)
 

圖2b. 隔離分割了電纜(顯示額外電阻)
 

一種可能的隔離方法如圖2a所示。圖中
，虛線表示隔離在理論上將USB電纜分割。D+和D–的狀態信息可以跨越隔離柵，但電流不能。GND1節點(上遊的接地基準)現在與GND2節點(下遊的接地基準)相互分離。不幸的是，隔離使主機無法“看到”下遊的上拉電阻，而外設無法“看到”上遊的下拉電阻。因此
，需要使用一些額外的電阻，如圖2b所示，以便跨越隔離模仿相應連接。在這個“透明”概念中，主機與外設之間的通信方式和圖1中的非隔離式連接十分類似。透明的USB隔離器元件可方便地插入收發器和USB電纜之間
，並使用隔離電源。原本設計用於非隔離式應用的主機和外設可方便地連接USB隔離器並交換標準USB信號，無需大幅改動設計。

 

這種方法非常有吸引力
，隻要此概念可以真正實現，但需克服一些挑戰。例如，獨立的光電耦合器或數字隔離器通常不提供兼容USB的驅動特性
，也不支持雙向半雙工通信方式。很多光電耦合器無法在12 Mbps或更高速率工作，並且具有較高的傳播延遲和時序誤差，不符合USB 2.0時序要求。後麵還將提到其他問題。

 

目前，我們先討論不透明的替代方案，如[1]中所述的方案。這些解決方案將隔離放在主機或外設的硬件內部，而不是通過隔離平分USB電纜。這樣可以放在USB收發器和串行接口引擎(SIE)之間，或者SIE和USB控製器之間。如此，便可以采用獨立的通用隔離器來隔離單向數字邏輯信號。然而
，這樣做有幾個缺點。首先
，必須定製USB收發器或控製器硬件，才能插入隔離元件。可能還需要額外的微控製器代碼或修改USB驅(qu)動(dong)器(qi)軟(ruan)件(jian)。這(zhe)將(jiang)會(hui)為(wei)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)額(e)外(wai)的(de)工(gong)作(zuo)量(liang)
，並(bing)顯(xian)著(zhu)增(zeng)加(jia)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)，要(yao)用(yong)到(dao)多(duo)個(ge)器(qi)件(jian)。另(ling)一(yi)個(ge)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)是(shi)，這(zhe)樣(yang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)總(zong)數(shu)據(ju)吞(tun)吐(tu)速(su)率(lv)的(de)下(xia)降(jiang)
，因(yin)為(wei)數(shu)據(ju)現(xian)在(zai)通(tong)過(guo)USB收發器和單獨隔離的串聯組合方案發送。隔離方案可能增加與編碼和解碼為另一種串行格式(如SPI)有關的延遲，或者增加與低速或隔離元件的非精確時序有關的延遲。

 

雖然存在這些缺點，但這類解決方案是在無法解決透明USB隔離器部署難題時的唯一可行方案。現在可以采用透明解決方案了。本文的餘下篇幅將描述一個完全符合要求的示例。

 

一個USB隔離器係統必須滿足一些要求，以實現完全的“透明”工作：

 

1. 它必須驅動UD+
、UD–、DD+和DD–，驅動方式與標準USB收發器相同，並實際包含兩個USB兼容收發器
，分布在隔離柵兩側(圖3)。

 

圖3. ADuM4160功能框圖
 

2. 它必須管理USBdianlanshangdeshuangxiangtongxin，quebaoqishoufaqizaishidangdeshihoujinxingfasonghejieshou，bingjingquezhongxiansuoyouqudonghekongxianzhuangtai。ruoyaojingquezhongxiankongxianzhuangtai
，tabixuzaiqishangyoucepeizhishangladianzu
，yimonilianjiexiayouwaishedeshangladianzuzhuangtai。tazaixiayouceyexupeizhixialadianzu。bixujiankongzongxianshangbiaoshizongxiankongxian、分組開始和分組結束的信號
，以便正確響應這些狀況。

 

3. USB隔離器內部的信號隔離器元件必須跨越隔離柵正向和反向傳輸D+和D–數據。如果信號隔離器是單向的(通常如此)，則USB隔離器係統需要多個隔離通道，其中某些通道沿下遊方向傳輸
，另一些通道則相反，沿上遊方向傳輸。

 

4. 信號隔離器必須以精確時序快速運行

，以便支持所需的USB信號速度，並滿足USB傳播延遲和時序誤差要求。

 

5. USB隔離器的每一側都應支持5 V或3.3 V電源提供的功率。如果提供5 V電源，那麼隔離器應當獲得適合為該側USB收發器供電的3.3 V調節電源。如果電源為3.3 V，那麼隔離器可利用它來直接為USB收發器供電
，並旁路其調節器。

 

 

ADI的ADuM4160 USB數字隔離器2滿足全部要求
，采用16引腳SOIC封裝。原理框圖如圖3所示。它包含一對USB收發器、5個基於iCoupler®的數字隔離通道
、控製邏輯以及2個“智能調節器”。它還集成1.5 kΩ上遊上拉電阻
，以及15 kΩ下遊下拉電阻。

 

其USB收發器由簡化控製器控製，後者無需完全解碼並分析數據分組即可支持隔離功能。它能監控UD+、UD–、DD+和DD–，使信號指示總線空閑
、分組啟動和分組結束，並利用它們正確使能或禁用USB發送器，並忽略分組數據內容。若將下遊分組數據從主機傳輸至外設
，則會激活圖3中的兩個高位隔離通道，這與上遊USB接收器和下遊USB發送器相同。數據從UD+/UD–複製到DD+/DD–。分組結束時，檢測分組結束序列，禁用所有USB發送器
，允許總線進入空閑狀態。如果外設隨後開始傳輸上遊分組數據，則USB隔離器檢測分組啟動序列，使能第三和第四條隔離通道以及上遊USB發送器，並將數據從DD+/DD–複製到UD+/UD–，直到分組結束。然後，總線再次返回空閑狀態
，所有發送器關斷，等待新數據到達。

 

ADuM4160使用第五條隔離通道交流下遊側控製線路的狀態3，該控製線路激活一個集成在上遊側的上拉電阻，使得下遊端口能夠控製上遊端口何時連接USB總線。該引腳可以連接到外設上拉電阻
、一條控製線路或VDD2引腳，具體取決於何時執行初始總線連接。將引腳與外設的上拉電阻相連可讓上遊上拉電阻模擬其狀態，同時讓ADuM4160的de下xia拉la電dian阻zu模mo擬ni所suo連lian接jie主zhu機ji的de狀zhuang態tai。所suo有you活huo動dong與yu空kong閑xian狀zhuang態tai均jun從cong隔ge離li的de一yi側ce複fu製zhi到dao另ling一yi側ce。隔ge離li通tong道dao是shi采cai用yong芯xin片pian級ji變bian壓ya器qi的de數shu字zi隔ge離li器qi
，可ke實shi現xian隔ge離li通tong信xin。所suo有you通tong道dao均jun可ke在zai100 Mbps以上工作，輕鬆支持12 Mbps USB“全速”數據。單芯片內集成所有通道可使能針對時序的嚴格控製
，實現滿足USB時序要求的低時序誤差。ADuM4160產生的總傳播延遲等於標準USB集線器產生的延遲。空閑總線的靜態功耗低於USB限值。

 

智能調節器支持上文第5條要求中的電源選項，無需用戶特別控製4。若要采用5 V為USB隔離器的一側上電(如上遊側)，則應將5 V電源連接適當的VBUS引腳(如VBUS1)，而VDD1不連接。當傳感器檢測到電壓施加於VBUS1而非VDD1時，將激活3.3 V調節器，為VDD1上電。若要轉而采用3.3 V上電USB隔離器的一側(如下遊側)
，則3.3 V電源應同時連接VBUS2和VDD2。當傳感器檢測到電壓同時施加在兩個引腳上時，將禁用片內調節器
，以便直接使用外部3.3 V電源。

 

 

“透明”USB隔離器理論上可隔離平分USB電纜，現可輕鬆用於原本針對非隔離式應用設計的USB硬件。與此相反，在主機或外設硬件內實現隔離則要求對硬件進行較大的更改，有時甚至可能降低USB性能。使用分立器件(比如現成的通用隔離器)完成透明方案難度很大。然而，最新的集成式解決方案(如ADuM4160)通過便利的單一封裝解決了這些難題
，極大地簡化了USB應用中實現隔離的過程。

 

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