透明USB隔离器的要求 - 数字隔离器是一种方便易用的USB隔离方法

接线图 2023年09月27日 21:09 230 admin

　　透明USB隔离器的要求

　　USB隔离器系统必须满足下述要求，才能实现真正的“透明”操作：

　　作为标准的USB收发器，USB隔离器系统必须能够以同样的方式驱动UD+、UD-、DD+和DD-，且实际上应包含两个USB兼容收发器，分别位于绝缘阻障的两端（图3）。

　　透明USB隔离器的要求 - 数字隔离器是一种方便易用的USB隔离方法第1张

　　USB 隔离器系统的收发器必须能够在适当的时间发送和接收信息，以管理USB线缆上的双向通信，且USB隔离器系统必须能够准确地复制所有驱动和空闲状态。要想准确地复制空闲状态，USB隔离器系统必须在上游侧设置一个上拉电阻器来模拟连接至下游侧外设上的上拉电阻的状态。当然，也可以在下游侧设置一些下拉电阻。此外，必须对总线进行监控，识别指示空闲总线、数据包头、数据包尾的信号，以便能够实时应对各种状况。

　　USB隔离器内部的信号隔离器组件必须能够穿过隔离阻障来回交流D+和D-数据。如果信号隔离器是单向的（因为一般情况下都是），USB隔离器系统需要多个隔离通道，有些负责在下游方向传送数据，有些负责在相反的上游方向传送数据。

　　信号隔离器必须能够快速运行且具备准确定时功能，这样才能满足USB信令速率与传播延迟和定时误差的要求。

　　USB隔离器的两端均应支持5V或3.3V电源。如果是5V电源，隔离器应能够衍生出适用于一侧USB收发器的3.3V稳压电源。如果是3.3V电源，隔离器能够旁路调节器，直接使用该电源为USB收发器供电。

　　透明USB隔离器的实现

　　美国ADI公司的ADuM4160 USB数字隔离器（参考文献2）符合上述所有要求，并集成在16引脚小型SOIC封装中。图3给出的是ADuM4160的框图。该器件包含一对USB收发器，5条iCoupler数字隔离通道、控制逻辑和两个“智能调节器”。此外，该器件还包括一个1.5kΩ的上游侧上拉电阻和数个15kΩ的下游侧下拉电阻。

　　ADuM4160的USB收发器由一个简化控制器进行控制，无需完全解码和分析数据包即可实现隔离功能。此外，它还可以监控UD+、UD-、DD+和DD-，识别指示空闲总线、数据包头、数据包尾的信号，从而在忽略数据包内容的同时正确地使能或去使能USB收发器。当在下游侧从主机向外设传输数据包时，图3中上方的两条隔离通道处于有效状态，用作上游侧USB接收器和下游侧USB发射器。数据从UD+/UD-拷贝到DD+ /DD-。当数据包传输结束时，USB隔离器检测到尾部序列后就会去使能所有USB收发器，使总线进入空闲状态。如果接下来外设开始向上游侧传输数据包，USB隔离器检测到数据包头部序列后就会使能第三和第四条隔离通道以及上游侧USB发射器，并将数据从UD+/UD-拷贝到DD+/DD-，直到数据包传输结束。然后，总线再次进入空闲状态，所有发射器也被关闭，等待新的数据传输。

　　ADuM4160使用第五隔离通道来传递下游侧（参考文献3）控制线路的状态信息，从而激活一个集成于上游侧的上拉电阻，这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。将该引脚连接到外设上拉电阻可以使上游侧上拉电阻模拟其状态，同时 ADuM4160的下拉电阻可以模拟连接到主机的下拉电阻的状态。所有有效与空闲状态均可从隔离阻障的一侧复制到另一侧。

　　隔离通道是使用芯片级变压器技术实现隔离通信的数字隔离器。每一单个通道的运行速度均超过100Mbps，可以轻松支持12Mbps的全速USB数据传输。把所有通道集成到一个单独的芯片上可以实现对时间的严密控制，从而降低定时误差，以满足USB的定时要求。此外，穿过ADuM4160的全部传播延迟相当于穿过一个标准USB集线器的延迟，且静态功耗要低于空闲总线的USB限制值。

　　智能调节器支持上面第5条要求中提到的电源选项，且无需明确的用户控制（参考文献4）。如要使用5V电源（例如上游侧）为USB隔离器的一侧供电，则要将该5V电源连接到合适的VBUS引脚（如VBUS1）上，且将VDD1设为断开状态。当传感器检测到电压是应用于VBUS1而非VDD1时，传感器会激活3.3V调节器，为VDD1供电。

　　要想使用3.3V电源（例如下游侧）为USB隔离器的一侧供电，要将3.3V电源与VBUS2和VDD2相连接。当传感器检测到两侧引脚上同时出现外加电压时，就会去使能片上调节器，直接使用外接3.3V电源。

　　结论

　　从概念上讲，“透明”USB隔离器是把USB线缆数一分为二，与原本为非隔离应用设计的USB硬件一起使用操作起来非常简单。这与在主机或外设硬件内部放置隔离组件的方案相比形成强烈的反差，因为那一方案需要进行大量的硬件改装，甚至可能会降低USB的性能。在使用现有通用隔离器等分离组件的情况下，实现透明概念的隔离具有很大的挑战性。然而，最新的集成解决方案如ADuM4160通过单个便利封装克服了上述挑战，大大简化了USB应用中添加隔离阻障的问题。

　　1. Hauck， Lane， “Isolating USB”， EDN magazine， July 2006.

　　2. Information on ADuM4160， iCoupler digital isolators， and other

　　Analog Devices products can be found at www.a na log.com/icoupler.

　　3. US patent #8432182.

　　4. Motorola Inc.，TL431A，B Programmable precision references， Document TL431/D Revision 6， 1998 （Current TI data-sheet）.

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