数字隔离器提供易于使用的隔离式USB选项

通用串行总线（usB）是个人计算机（PC）通过电缆与外设实现通信的常用方法。某些应用中，需要隔离USB通信以满足安全要求，或中断接地环路。遗憾的是，隔离任务不易完成，因为usB电缆上有双向数据流。本文将讨论这个问题，并探讨实现易于使用的隔离式usB方案面临的其他挑战，最后对解决方案进行比较。一个理想的“透明”解决方案能将隔离对系统的影响降至最低，目前我们就可以提供这种解决方案。本文讨论的内容针对usB2.0，该版本支持三种数据速率，即1.5Mbps（低速）、12Mbps（全速）和480Mbps（高速）。

为简便起见，将详细探讨12Mbps的情况，但示例中的很多原理同样适用于其他速度。隔离USB主机和外设的方法

现在，请想像一下主机和外设的电气隔离。无论哪种情况，都应隔离多个信号，并且信号的传输速度可能很快，或者信号可能是双向的。这取决于在何处进行隔离。这使得利用分立器件来构建解决方案变得复杂。完整的物料清单可能很长，并且有可能很难找到完全满足信号传送要求的分立器件。

一种可能的隔离方法如图1a所示。其中，虚线表示隔离在理论上将USB电缆分割。D+和D的状态信息可以跨越隔离栅，但电流不能。GNDl节点（上游的接地基准）现在与GND2节点（下游的接地基准）相互分离。不幸的是，隔离使主机无法“看到”下游的上拉电阻，且外设无法“看到”上游的下拉电阻。因此，需要使用一些额外的电阻，如图1b所示，以便跨越隔离模仿相应连接。透明的usB隔离器元件可方便地插入收发器和USB电缆之间，并使用隔离电源。原本设计用于非隔离式应用的主机和外设可方便地连接usB隔离器并交换标准USB信号，无须大幅改动设计。

只要此概念可以真正实现，这种方法非常有吸引力，但需克服一些挑战。例如，独立的光电耦合器或数字隔离器通常不提供兼容usB的驱动特性，也不支持双向半双工通信方式。很多光电耦合器无法在12Mbps或更高速率下工作，并且具有较高的传播延迟和时序误差，不符合USB2.0时序要求。后面还将提到其他问题。

目前，我们先讨论不透明的替代方案。这些解决方案将隔离放在主机或外设的硬件内部，而不是通过隔离平分USB电缆。这样可以放在USB收发器和串行接口引擎（sIE）之间，或者sIE和usB控制器之间。如此，便可以采用独立的通用隔离器来隔离单向数字逻辑信号。然而，这样做有几个缺点。首先，必须定制usB收发器或控制器硬件，才能插入隔离元件。可能还需要额外的微控制器代码或修改usB驱动程序软件。这将会为系统设计人员带来额外的工作量，并显著增加所需的电路板空间，因为这些解决方案非常复杂，要用到多个器件。

另一个不足之处是，这样可能会导致总数据吞吐速率下降，因为数据现在通过usB收发器和单独隔离的串联组合方案发送。隔离方案可能增加与编码和解码为另一种串行格式（如SPI）有关的延迟，或者增加与低速或隔离元件的非精确时序有关的延迟。

虽然存在这些缺点，但这类解决方案是在无法解决透明usB隔离器部署难题时的唯一可行方案。但现在可以采用透明解决方案了。本文的余下篇幅将描述一个完全符合要求的示例。透明USB隔离器要求

USB隔离器系统必须满足一些要求，以实现完全的“透明”工作。

1.它必须驱动UD+、UD、DD+和DD，驱动方式与标准USB收发器相同，并实际包含两个usB兼容收发器，分布在隔离栅两侧（见图2）。

2.它必须管理usB电缆上的双向通信，确保其收发器在适当的时候进行发送和接收，并精确重现所有驱动和空闲状态。若要精确重现空闲状态，它必须在其上游侧配置上拉电阻，以模拟连接至下游外设的上拉电阻状态。它在下游侧也需配置下拉电阻。必须监控总线上表示总线空闲、数据包开始和数据包结束的信号，以便正确响应这些状况。

3.USB隔离器内部的信号隔离器元件必须能够跨越隔离栅正向和反向传输D+和D数据。如果信号隔离器是单向的（通常如此），则usB隔离器系统需要多个隔离通道，其中某些通道沿下游方向传输，另一些通道则相反，沿上游方向传输。

4.信号隔离器必须以精确时序快速运行，以便支持所需的usB信号速度，并满足usB传播延迟和时序误差要求。

5.usB隔离器的每一侧都应支持5V或3.3V电源供电。如果提供5V电源，那么隔离器应当获得适合为该侧USB收发器供电的3.3V调节电源。如果电源为3.3V，那么隔离器可利用它来直接为usB收发器供电，并旁路其调节器。透明USB隔离器的实现

ADuM4160USB数字隔离器满足全部要求，采用16引脚SOIC封装。原理框图如图2所示。它包含一对USB收发器、5个基于iCoupler的数字隔离通道、控制逻辑以及2个“智能调节器”。它还集成1.5k（）上游上拉电阻，以及15kt）下游下拉电阻。

其usB收发器由简化的控制器控制，后者无须完全解码和分析数据包即可支持隔离功能。它能监控uD+、UD、DD+和DD，使信号指示总线空闲、数据包开始和数据包结束，并利用它们正确使能或禁用usB发送器，并忽略数据包内容。若将数据包从主机传输至外设，则会激活图3中的两个高位隔离通道，这与上游usB接收器和下游USB发送器相同。数据从UD+/UD复制到DD+/DD。数据包结束时，检测数据包结束序列，禁用所有USB发送器，允许总线进入空闲状态。如果外设随后开始向上游传输数据包，则USB隔离器检测数据包开始序列，使能第三和第四条隔离通道以及上游USB发送器，并将数据从DD+/DD复制到UD+/UD，直到数据包结束。然后，总线再次返回空闲状态，所有发送器关断，等待新数据到达。

ADuM4160使用第五个隔离通道传输下游侧控制线路的状态，该控制线路激活一个集成在上游侧的上拉电阻，使得下游端口能够控制上游端口何时连接usB总线。该引脚可以连接到外设上拉电阻、一条控制线路或VDD2引脚，具体取决于何时执行初始总线连接。将引脚与外设的上拉电阻相连可让上游上拉电阻模拟其状态，同时让ADuM4160的下拉电阻模拟所连接主机的状态。所有活动与空闲状态均从隔离的一侧复制到另一侧。

隔离通道是采用芯片级变压器的数字隔离器，可实现隔离通信。所有通道均可在100Mbps以上工作，轻松支持12Mbps

uSB“全速”数据。单芯片内集成所有通道可使能针对时序的严格控制，实现满足usB时序要求的低时序误差。ADuM4160产生的总传播延迟等于标准usB集线器产生的延迟。空闲总线的静态功耗低于usB限值。

智能调节器支持上文第五条要求中的电源选项，无须用户特别控制4。若要采用5V为usB隔离器的一侧（如上游侧）供电，则应将5V电源连接至适当的VBUS引脚（女NVBusl），而VDDl不连接。当传感器检测到电压施加于VBusl而非VDDl时，将激活3.3V调节器，为VDDl供电。

若要转而采用3.3V为USB隔离器的一侧（如下游侧）供电，则3.3V电源应同时连接至VBus2和VDD2。当传感器检测到电压同时施加在两个引脚上时，将禁用片内调节器，以便直接使用外部3.3V电源。

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