数字隔离器对USB实现隔离的方法介绍

最快的数字隔离器工作在约150Mbps，虽然远高于低速和全速USB，但不能处理高速数据，限制了USB接口的速度范围。该方案与为微处理器SIE提供的USB驱动器完全兼容，可降低开发成本，但需使用多个隔离通道致使实现成本高昂。此类收发器接口将被集成度要求日益提高的市场所淘汰。

图4. 隔离的外部USB收发器。

第四种方法：直接在D+和D-线线中插入隔离(图5)。这种方式允许在现有的USB应用中添加D+/D-隔离，而无需重写驱动程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，这是一个很大的优点。但是，D+和D-线的隔离较为复杂，因为隔离器件必须能够像SIE那样处理控制流，允许在隔离屏障两边使用上拉电阻，并确定传输速度。另外，其运行不应要求额外的设备驱动程序相关的开销。

图5. 隔离D+/D-线。

新型芯片级器件ADuM4160 USB隔离器解决了这些挑战性难题(图6)，它支持低速和全速USB的D+和D-线直接隔离。

图6. ADuM4160的框图。
ADI公司的iCoupler® 技术3 特别适合于构建USB隔离器。在开发USB隔离器时所面临的主要挑战是正确确定数据传输的方向，以及何时禁用驱动器以让总线处在空闲状态。USB数据的面向数据包特性使我们可以使用一种简单的方法来确定数据方向，免去了整个SIE的开销。当总线空闲时，上拉和下拉电阻使USB保持在空闲状态，缓冲器不再驱动总线。

ADuM4160监视总线的上游和下游部分，等待来自任何方向的跃迁信号。当检测到跃迁信号时，则对信号进行编码并传过隔离阻障。这些数据被解码之后，ADuM4160使能输出驱动器在电缆的另一段上进行传输。从第一次传送开始，由于数据流的方向已得到确认，ADuM4160将禁用反向隔离通道。只要继续收到数据，隔离器就沿相同的方向继续传输数据。当USB数据包结束时，ADuM4160传输特殊的数据——包尾序列。包尾序列包含非差分信号，而非差分信号不应包含在任何数据结构中。ADuM4160可以区分有效数据和包尾标识。包尾标识通知总线返回空闲状态。然后，ADuM4160禁用输出驱动器，并开始监视上游和下游输入的下一次跃迁，该信号将决定下一次数据传输的方向。

此外，当发生总线错误时，看门狗定时器将使ADuM4160返回空闲状态。ADuM4160使用了基于跃迁的隔离方案，基于跃迁的隔离是iCoupler技术的核心能力之一。

隔离器还必须支持上拉和下拉电阻。隔离器的每侧支持一个独立的USB总线段，在空闲状态连接所有的偏置电阻。当在总线上有某个设备需要进入初始化序列(称为枚举)时，上拉电阻发出信号。知道外设的工作速度以及何时应连接上拉电阻，使枚举过程以受控的方式启动。有几个因素影响上游上拉电阻的状态。上游和下游电源电压可能有多种组合，隔离器的设计保证对所有给定的电源组合给出可预测的操作。有时，如外设需在开始USB枚举之前完成自己的本地初始化的话，外设要求延迟启用上游的上拉电阻。ADuM4160在其下游侧提供了一个控制引脚以便由外设来决定何时开始枚举。

该器件还可以工作于5V或3.3V电源，因此，外设仅需一个电源。ADuM4160还具有良好的ESD保护能力，通常允许在连接器的D+和D-引脚没有外部保护电路的情况下热插拔。

ADuM4160可按以下三种方式之一使用：

安装在外设中以隔离其上游端口。ADuM4160是以这个配置为基础应用设计的，该设计极大地简化了电源和控制配置(图7)。

可用来隔离集线器以及集线器所有的下游外设(图8)。

可用于隔离电缆(图9)。

下面的示例给出了ADuM4160在这些应用中的连接方法。

在外设应用中(图7)，外设有自己的电源，几乎不需要从USB电缆获得能量——只需约10毫瓦来驱动该隔离器的上游侧和上拉电阻。由于外设以单一速度运行，该隔离器按期望的速度(全速或低速)设置以硬连线方式与外设连接。如果外设端口具有高速性能，那么，它在枚举期间发送高速的“chirp”信号。这通常会启动速度协商以实现高速操作，但ADuM4160会阻断“chirp”信号并自动迫使高速外设运行在全速模式。对不带电源的低功耗外设，可用隔离型DC/DC转换器(如ADuM5000)给外设供电，而ADuM4160从USB电缆汲取能量。

图7. 隔离的外设端口。

在作为集线器隔离器使用时，ADuM4160把集线器作为外设来对待(图8)。ADuM4160设置为全速，其它部分与上面讨论的标准外设类似。在ADuM4160的chirp功能干预下，集线器被迫以全速运行。即使ADuM4160以固定的速度运行，集线器芯片都可以连接到低速和全速设备的各种组合。集线器向下游端口的隔离器提供能量，枚举可以以上电启动或延迟启动的方式进行。集线器要求提供的能量通常高于上游电缆通过隔离型