通用串行總線 （USB） 是一種流行的個人方法 計算機 （PC） 通過以下方式與外圍設備通信 電纜。在某些應用中，需要隔離USB 通信以達到安全要求或中斷 接地環路。不幸的是，隔離任務并非微不足道 因為USB電纜上的雙向數據流。這 文章討論了實現輕松的這一挑戰和其他挑戰 使用隔離的 USB 實現并進行比較 解決 方案。“透明”的理想將影響降至最低 為系統添加隔離，現在有這樣的解決方案 可用。討論的重點是 USB 2.0，它 支持三種數據速率：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 基礎知識

USB受歡迎的一個原因是其簡單的4線接口 為外設和串行數據鏈路供電 在外圍設備和 PC 之間。圖 1 顯示了一個標準 USB 連接。五世總線接地線提供 5V 電源和接地，而D+和D-承載數據。這 信令是雙向半雙工的，這意味著數據可以 沿電纜沿任一方向流動，但在任何特定方向 時間，最多一個發射器主動驅動電纜。 在通信過程中，USB 發射器驅動 D+ 和 D– 上的差分或單端狀態。數據是 組織成數據包，具有特殊的信號序列 指示數據包開始和數據包結束。有時 總線處于空閑狀態，這意味著兩個發射器都處于活動狀態，并且在 這些時候，電阻器連接到電纜的末端 在 D+ 和 D– 建立“空閑”總線狀態。空閑狀態幫助 初始化一個數據包和下一個數據包之間的總線。他們還 向主機指示外圍設備何時連接或 斷開連接，以及外圍設備所需的通信 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 主機和外設的方法

現在想象一下對主機和外圍設備進行電氣隔離。 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。 這使得構建的實現變得復雜 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 D+ 和 D– 狀態的信息可以交叉 勢壘，但電流沒有。 GND1（上游側的 接地參考）現在是與 GND2 （ 下游側的地面參考）。不幸的是， 隔離可防止主機“看到”下游 上拉電阻，外設無法“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“透明” 概念，主機與周邊作品的溝通 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 在其中一個收發器和 USB 電纜之間，沿著 帶隔離電源。主機和外圍設備 最初設計用于非隔離應用 連接到 USB 隔離器并交換標準 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 真正實施，但存在許多挑戰 要克服。例如，獨立光耦合器或 數字隔離器通常不提供USB兼容 驅動器特性，或支持雙向半雙工 通信。許多光耦合器不能以12 Mbps的速度運行 或以上，傳播延遲和時序較長 不符合 USB 2.0 計時要求的錯誤。那里 是稍后描述的其他問題。

現在，讓我們轉移焦點并考慮不透明 [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 主機或外圍設備的硬件內部。它可以去 在 USB 收發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 要隔離的單向數字邏輯信號 獨立的通用隔離器。但是，有 幾個明顯的缺點。一、USB收發器 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驅動程序軟件的修改也可能是 必填。這給系統設計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，因為這些 解決方案很復雜，需要多個組件。 另一個缺點是整體數據吞吐量可能是 減少，因為數據現在通過一系列發送 USB 收發器和獨立隔離的組合 方案。隔離方案可能會增加與 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序相關的延遲 隔離組件。

盡管存在這些缺點，但這樣的解決方案是唯一的 當難以克服 實施透明 USB 隔離器的挑戰。 現在，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 隔離器系統必須滿足以下幾個要求： 實現完全“透明”的操作：

它必須在 與標準 USB 收發器相同，并且 事實包含兩個符合 USB 標準的收發器，一個 在隔離柵的每一側（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器來確保 在適當的時間發送和接收 準確再現所有驅動和空閑狀態。自 準確重現它必須包含的空閑狀態 上游側的上拉電阻，用于模擬 連接到 的上拉電阻的狀態 下游外設。它還可能包括下拉 其下游側的電阻器。巴士 必須監控指示空閑總線的信號， 數據包開始，數據包結束適當 對這些條件做出回應。

USB 隔離器內的信號隔離器組件 必須來回通信 D+ 和 D– 數據 跨越隔離。如果信號隔離器 單向（通常情況），USB 隔離器系統需要多個隔離通道， 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行且精度高 支持所需 USB 信號速度的時序， 并符合 USB 傳播要求 延遲和定時錯誤。

USB 隔離器的每一側都應支持電源 由 5V 或 3.3V 電源提供。如果 5V 電源為 前提是，隔離器應獲得3.3V 穩壓電源適合為該側的電源供電 USB 收發器。如果提供 3.3V 電源，則 隔離器可以使用它來直接為 USB 供電 收發器并旁路其調節器。

實現透明 USB 隔離器

ADI公司ADuM4160 USB數字隔離器2會見 所有要求，并集成到 16 引腳 SOIC 中 包?？驁D如圖 3 所示。它包含一個 一對 USB 收發器，五個基于 i耦合器的通道 數字隔離、控制邏輯和兩個“智能穩壓器”。它 還包括一個 1.5kΩ 上游上拉電阻和 15kΩ 下游下拉電阻?

其USB收發器由簡化的控制器控制， 不需要完全解碼和分析數據包 以支持隔離功能。相反，它可以監視 UD+、UD–、DD+ 和 DD– 用于指示空閑總線的信號， 數據包開始和數據包結束，并使用它們來正確 在忽略數據包的同時啟用或禁用 USB 發射器 內容。從主機下游傳輸數據包時 到外設，圖3中的上兩個隔離通道 處于活動狀態，上游 USB 接收器和下游也是如此 USB發射器。數據從 UD+/UD– 復制到 DD+/DD–。當數據包結束時，數據包結束 檢測到序列并禁用所有 USB 發射器， 允許總線達到空閑狀態。如果外圍設備 隨后開始向上游傳輸數據包，即 USB 隔離器檢測數據包開始序列，使能 第三和第四個隔離通道以及上行USB 發射器，并將數據從 DD+/DD– 復制到 UD+/UD– 直到數據包結束。然后公共汽車再次返回空閑狀態 關閉所有發射器，等待新數據。

ADuM4160使用第五個隔離通道 在下游傳達控制線的狀態 邊3，激活集成在 上游一側。這允許下游端口控制 當上游端口連接到 USB 總線時。引腳 可連接到外設上拉、控制線或 VDD2 引腳，具體取決于初始總線連接的時間 被執行。將引腳連接到外設上拉 使其狀態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 連接到主機。復制所有活動狀態和空閑狀態 從隔離的一側到另一側。

隔離通道是使用芯片級的數字隔離器 變壓器實現隔離通信。這 每個通道可以運行超過 100 Mbps， 輕松支持 12 Mbps USB“全速”數據。整合 所有通道集中在單個芯片中，可實現對 定時，提供符合 USB 定時要求的低時序誤差 要求。通過 ADuM4160相當于通過標準的延遲 USB集線器。靜態功耗低于 USB 限制 用于閑置巴士。

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

改為從 3.3V 為 USB 隔離器的一側供電 （例如下游側），3.3 V電源為 連接到 VBUS2 和 VDD2。當傳感器檢測到時 同時在兩個引腳上施加電壓，片上 調節器被禁用，以便直接在外部使用 提供 3.3V。

結論

“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 最初為非隔離設計的 USB 硬件 應用。這與替代方案形成鮮明對比，后者將 主機或外圍硬件內部的隔離， 需要大量硬件修改，有時需要 降低 USB 性能。透明概念是 使用分立元件實現非常具有挑戰性 比如現成的通用隔離器。然而，最近 ADuM4160等集成解決方案克服了 在一個方便的軟件包中挑戰，極大地 簡化 USB 應用中的隔離添加。

審核編輯：郭婷