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1、数字隔离器是一种方便易用的 USB隔离方法来源：EDN 作者：Eric Gaalaas 标签：ADuM4160(2)隔离器(26)数字隔离器(46) USB(889)ADI(433)USB，是英文 Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，个人电脑（PC）可以使用 USB 通过连接电缆与外设进行通信。但是出于安全考虑，在某些应用中需要隔离 USB通信或隔断接地回路。遗憾的是，由于 USB 连接电缆上的数据流是双向传输，所以隔离工作也非易事。这篇文章讨论的就是方便易用的 USB 隔离设备在实际应用中遇到的挑战，并对比了各种不同的解决方案。“透明的”理想方案是将添加隔离设备带
2、给系统的影响降至最低限度，而这样的解决方案目前已经成为可能。本设计实例主要针对的是以三种数据传输速率运行的 USB2.0：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。简单起见，本文着重探讨了 12Mbps 的全速 USB，且实例中的大部分实现原理也适用于以其他数据传输速率运行的 USB 设备。关于 USBUSB 大受欢迎的一个原因是其简单的 4 线接口设计，不但可以为外设供电，还可以在外设和 PC 间充当串行数据链路。图 1 是标准的 USB 连接示意图。VBUS 线可以为外设提供5V 电力，GND 为接地线，而 D+和 D-则用来传输数据。信号是双向半双工传输，意味
3、着数据可以在线缆的任意方向流动，但是无论何时，最多只有一个发射器可以有效驱动该线缆。在通信过程中，USB 发射器驱动差分或单端状态信号到 D+和 D-线。数据被组织成数据包，其中有特别的信号序列标识数据包的头部和尾部。有时，总线会处于空闲状态，也就意味着没有发射器处于活跃状态，此时与线缆两端相连的电阻在 D+和 D-线建立起“空闲”总线状态。空闲状态会促成两个数据包之间总线的初始化，并使主机了解外设何时连接或断开以及外设期望的通信速率（1.5Mbps、12Mbps 或 480Mbps）。隔离 USB 主机和外设的方法现在想象一下对主机和外设进行电气隔离的方法。如参考文献 1 中提到的，添加隔离
4、阻障的方法有很多。但是无论如何都必须对信号进行隔离。信号是高速运行还是双向运行要取决于隔离阻障的具体添加位置，增加了从具体零部件中构建隔离阻障的难度。这样一来，隔离过程需要使用到更多的材料，而且也很难发现完全符合信号要求的分离组件。图 2a 给出的是一种可能的隔离方法，其中虚线表示对 USB 线缆的概念分割。有关 D+和 D-线的信息可以穿过隔离阻障，但是电流不可以。在这种情况下，接地端 1（上游侧接地基准）是独立于接地端 2（下游侧接地基准）的一个单独节点。不幸的是，这种隔离方法使主机无法“看到”下游侧上拉电阻，且外设也无法“看到”上游侧下拉电阻。因此，正如图 2b 所示，这种隔离方法需要一
5、些额外的电阻来模拟其相对物穿过隔离阻障的连接方式。在这一“透明”隔离概念中，主机与外设之间的通信与图 1 非隔离 USB 连接的运行原理类似。透明的 USB 隔离器组件简单地插入到某个收发器与 USB 线缆之间，还有一个隔离电源。最初为非隔离应用设计的主机和外设可以轻松地连接到 USB 隔离器上，无需重大更改即可实现标准 USB 信号的交互。假如可以真正实现，这种方法还是极具吸引力的，但是真正实现起来需要面临各种挑战。举例来说，独立式光耦合器或者数字隔离器一般不支持 USB 兼容驱动特性，也不支持双向半双工通信。此外，很多光耦合器无法以 12Mbps 或更快的速度运行，且传播延迟较长并存在定时
6、误差，这些都不符合 USB2.0 的定时要求。还有一些问题会在后面讲述。现在，我们转移一下注意力，考虑一下不透明的替代选择，比如参考文献 1 中描述的那些。这些方案不再对 USB 线缆平分隔离，而是把隔离阻障放置到主机或外设的硬件中可以放置在 USB 收发器与串行接口引擎（SIE）之间，或者串行接口引擎与 USB 控制器之间。这样就可以将单向数字逻辑信号与独立式通用隔离器分离开来。但是，这样的方案也存在一些重大缺陷。首先，USB 收发器或控制器硬件必须经过定制，使其能够容纳隔离组件；还可能需要一些额外的微控制器代码或 USB 驱动软件方面的改动。所有这些无疑会加大系统设计师的工作负担。而由于这
7、些方案比较复杂且需要不同的组件，也会大大增加所需的板空间。另外一个缺陷就是，数据传送需要 USB 收发器和单独隔离方案的一系列组合，可能会导致整体数据吞吐量降低。此外，隔离方案可能会增加与编解码成其它串行格式如串行外设接口（SPI）相关的延迟或者与隔离组件低速或非精确定时相关的延迟。虽然有这些不足之处，但在过去难以克服实现透明 USB 隔离器的挑战时，这些方案是唯一可行的选择。但是现在，透明的隔离解决方案已成为现实，本文的后半部分将具体描述一个完全符合要求的实例。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
8、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）。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
9、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）
10、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1.5k 的上游侧上拉电阻和数个 15k 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
11、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
12、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
13、。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
14、 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 otherAnalog Devices products can be found at www.a na US patent #8432182.4. Motorola Inc.，TL431A，B Programmable precision references， Document TL431/D Revision 6， 1998 （Current TI data-sheet）.
