USB是個人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業操作系統的支持，且允許硬件和驅動器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達127個設備。許多數據傳輸模式可處理存儲設備的大批量數據傳輸、流媒體的同步傳輸以及時間關鍵型數據的中斷驅動型傳輸(如鼠標移動)等各類傳輸。USB以三種數據傳輸速率運行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。該規范創建后強化了消費應用，這些應用要求連接必須簡單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來解決復雜性的問題。

USB物理層只包含4條線：兩條向外設提供5V電源和地，另外兩條(D+和D-)構成可傳遞差分數據的雙絞線對(圖1)。這些線也可傳遞單端數據以及用無源電阻實現的空閑狀態。當設備連接到總線上時，無源電阻結構中的電流對傳輸速度進行協商，并建立無驅動的空閑狀態。數據被組織成數據幀或數據包，每幀可以包含時鐘同步位、數據類型標識符、設備地址、數據有效載荷及包尾序列。

串行接口引擎(SIE)在電纜的兩端對這個復雜的數據結構進行控制，這個專用控制器(或作為更大控制器的一部分)實現USB協議，通常內置USB收發器硬件。當某個外設首次連接到電纜上時，SIE在 枚舉,2 期間向宿主計算機提供外設的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE把所有數據按照要求的傳輸類型格式化,并提供錯誤檢查和自動故障處理。SIE處理總線上的所有控制流，并按需要使能和禁用線驅動器和接收器。主機啟動所有的處理業務，然后按明確規定的數據序列在主機和外設之間交換數據，包括數據損壞和出現其它故障的情況。SIE可以內建在微處理器中，因此它可能只有D+和D-線與外設相連。實現這個總線的隔離面臨幾個挑戰：

隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線是雙向的。SIE不提供確定數據傳輸方向的外部方式。隔離器必須與無源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側的電路匹配。隔離USB的典型方法主要是設法回避上述挑戰。

第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設備完全分離(圖2)。許多設備可把其它通用的串行總線與USB連接;圖2中顯示了RS-232與USB的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能;隔離是在低速串行線中實現的。但這種方法并不能利用USB的優勢，所實現的是一個可熱插拔的串行端口。接口芯片可通過改變固件來實現定制，以識別外設，從而允許創建定制的驅動程序;但每個外設可能都需要一個定制的適配器。除非該適配器是永久連在這個外設上，否則這將是維修人員的噩夢。此外，接口的速度將被限制在標準RS-232的速度，甚至遠低于低速USB的吞吐量。

第二種方法：使用帶有易隔離接口的獨立SIE(圖3)。市場上有幾種產品(如SPI)使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數字隔離器(如ADuM1401C 四通道數字隔離器)可對SPI總線實現完全隔離。由于SIE包含可通過SPI總線填充的緩沖存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴于USB的速度。SIE將與USB主機協商其可能的最高連接速度，并以協商得出的總線速度分發數據，直到把緩沖中的數據傳遞完。此時，SIE會通知主機如果有更多的數據需要傳送則重試，并留出時間使SPI接口可為下一個傳輸循環重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設驅動程序，并忽視內置在外設的微處理器中的USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。

第三種方法：直接在D+和D-線線中插入隔離(圖5)。這種方式允許在現有的USB應用中添加D+/D-隔離，而無需重寫驅動程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個很大的優點。但是，D+和D-線的隔離較為復雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運行不應要求額外的設備驅動程序相關的開銷。

4通道全速/低速 USB 數字隔離器ADUM4160BRWZ-RL監視總線的上游和下游部分，等待來自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時，則對信號進行編碼并傳過隔離阻障。這些數據被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅動器在電纜的另一段上進行傳輸。從第一次傳送開始，由于數據流的方向已得到確認，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續收到數據，隔離器就沿相同的方向繼續傳輸數據。當USB數據包結束時，ADuM4160傳輸特殊的數據——包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應包含在任何數據結構中。ADuM4160可以區分有效數據和包尾標識。包尾標識通知總線返回空閑狀態。然后，ADuM4160禁用輸出驅動器，并開始監視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數據傳輸的方向。

此外，當發生總線錯誤時，看門狗定時器將使ADuM4160返回空閑狀態。ADuM4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是iCoupler技術的核心能力之一。

隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側支持一個獨立的USB總線段，在空閑狀態連接所有的偏置電阻。當在總線上有某個設備需要進入初始化序列(稱為枚舉)時，上拉電阻發出信號。知道外設的工作速度以及何時應連接上拉電阻，使枚舉過程以受控的方式啟動。有幾個因素影響上游上拉電阻的狀態。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設計保證對所有給定的電源組合給出可預測的操作。有時，如外設需在開始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話，外設要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側提供了一個控制引腳以便由外設來決定何時開始枚舉。

該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設僅需一個電源。ADuM4160還具有良好的ESD保護能力，通常允許在連接器的D+和D-引腳沒有外部保護電路的情況下熱插拔。

ADuM4160可按以下三種方式之一使用：

安裝在外設中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個配置為基礎應用設計的，該設計極大地簡化了電源和控制配置(如下圖)。可用來隔離集線器以及集線器所有的下游外設。可用于隔離電纜。

下面的示例給出了ADuM4160在這些應用中的連接方法。

在作為集線器隔離器使用時，ADuM4160把集線器作為外設來對待(圖8)。ADuM4160設置為全速，其它部分與上面討論的標準外設類似。在ADuM4160的chirp功能干預下，集線器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線器芯片都可以連接到低速和全速設備的各種組合。集線器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動或延遲啟動的方式進行。集線器要求提供的能量通常高于上游電纜通過隔離型DC/DC轉換器供電的能力。

驅動隔離的USB電纜(圖9)需使用DC/DC轉換器為下游端口和電纜供電。為了滿足USB規范的要求，電纜的下游部分必須向外設的上拉電路提供5V電源。可使用ADuM5000等隔離型DC/DC轉換器可以用于提供這個電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower?器件的使用方法4 。在這個應用中，ADuM4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個USB速度運行，要切換速度模式須重新接線或通過簡單的開關以手動方式切換或采用更復雜的電路，這依賴于末端用戶的需求。

ADuM4160是一款USB端口隔離器。它將高速CMOS工藝與單片空芯變壓器技術相結合，可提供優異的工作性能，并且很容易與低速和全速USB兼容外設集成。許多微控制器實施的USB只向外部引腳提供D+和D?線路。這在許多情況下都符合需求，因為它僅需極少的外部器件，并簡化了設計；不過，當需要隔離時，這會帶來難題。USB線路必須自動在主動驅動D+/D?、接收數據與允許外部電阻設置總線空閑狀態之間切換。ADuM4160結構既可以檢測數據流向，同時能夠控制輸出緩沖的狀態。數據流向根據一個個分組確定。ADuM4160將基于邊沿檢測的iCoupler技術與內部邏輯結合使用，可實現透明、易于配置、面對上游的端口隔離器。隔離上游端口具有電路簡單、電源管理和操作穩健等多種優勢。這款隔離器的傳播延遲與標準集線器和電纜的傳播延遲相當。它可以采用任一側的3.1 V至5.5 V電源電壓供電，并能在內部將該電壓調節至信號電平，從而與VBUS直接相連。ADuM4160對上拉電阻進行隔離控制，以便外設能控制連接時序。該器件的空閑電流較低；需要掛起模式。

優勢特點：

完全兼容USB 2.0

低速和全速數據速率：1.5 Mbps和12 Mbps

雙向通信

xD+和xD?線路短路保護功能

3.3 V和5 V（雙模電源配置） - 欲了解更多信息，請參考數據手冊。

3A類接觸式ESD性能，符合ANSI/ESD STM5.1-2007標準

工作溫度最高可達105°C

高共模瞬變抗擾度：>25 kV/μs

應用：

USB外設隔離

隔離式USB集線器

審核編輯：湯梓紅