通用串行總線(USB)是個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)通過(guò)電纜與外設(shè)實(shí)現(xiàn)通信的常用方法。某些應(yīng)用中，需要隔離USB通信以滿足安全要求，或中斷接地環(huán)路。遺憾的是，隔離任務(wù)不易完成，因?yàn)閁SB電纜上有雙向數(shù)據(jù)流。本文將討論這個(gè)問(wèn)題，并探討實(shí)現(xiàn)易于使用的隔離式USB方案面臨的其他挑戰(zhàn)，最后對(duì)解決方案進(jìn)行比較。一個(gè)理想的“透明”解決方案能將隔離對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低，目前我們就可以提供這種解決方案。本文討論的內(nèi)容針對(duì)USB 2.0，支持三種數(shù)據(jù)速率： 1.5 Mbps(低速)、12 Mbps(全速)和480 Mbps(高速)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將詳細(xì)探討12 Mbps的情況，但示例中的很多原理同樣適用于其他速度。

USB基礎(chǔ)知識(shí)

USB廣受歡迎的一個(gè)原因是它具有簡(jiǎn)單的4線式接口，能夠?yàn)橥庠O(shè)供電，并在外設(shè)與PC之間提供串行數(shù)據(jù)鏈路。圖1顯示標(biāo)準(zhǔn)的USB連接。VBUS和GND線提供5 V電源和接地，而D+和D–則承載數(shù)據(jù)。信號(hào)發(fā)送方式為雙向半雙工，表示數(shù)據(jù)可在任一方向沿電纜傳輸，但任意特定時(shí)刻最多只有一個(gè)發(fā)送器主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電纜。通信期間，USB發(fā)送器驅(qū)動(dòng)差分或單端狀態(tài)至D+和D–。數(shù)據(jù)以分組的形式進(jìn)行組織，并采用特殊信號(hào)序列表示分組開(kāi)始和分組結(jié)束。有時(shí)總線處于空閑狀態(tài)，也就是說(shuō)沒(méi)有激活任何發(fā)送器，此時(shí)連接電纜D+和D–端點(diǎn)的電阻將建立“空閑”總線狀態(tài)。空閑狀態(tài)協(xié)助對(duì)分組之間的總線進(jìn)行初始化。它們還用來(lái)向主機(jī)指示外設(shè)的連接與斷開(kāi)狀態(tài)，以及外設(shè)所需要的通信速度(1.5 Mbps、12 Mbps或480 Mbps)。

隔離總線主機(jī)和外設(shè)的方法

現(xiàn)在，請(qǐng)想象一下主機(jī)和外設(shè)的電氣隔離。如[1]所述，隔離柵的位置可以有數(shù)個(gè)選項(xiàng)。無(wú)論哪種情況，都應(yīng)隔離多個(gè)信號(hào)，并且信號(hào)的運(yùn)行速度可能較快，或者信號(hào)可能是雙向的。這取決于在何處進(jìn)行隔離。這使得基于分立器件構(gòu)建的解決方案變得更為復(fù)雜。完整的物料清單可能更長(zhǎng)，并且有可能很難找到完全滿足信號(hào)傳送要求的分立器件。

一種可能的隔離方法如圖2a所示。圖中，虛線表示隔離在理論上將USB電纜分割。D+和D–的狀態(tài)信息可以跨越隔離柵，但電流不能。GND1節(jié)點(diǎn)(上游的接地基準(zhǔn))現(xiàn)在與GND2節(jié)點(diǎn)(下游的接地基準(zhǔn))相互分離。不幸的是，隔離使主機(jī)無(wú)法“看到”下游的上拉電阻，而外設(shè)無(wú)法“看到”上游的下拉電阻。因此，需要使用一些額外的電阻，如圖2b所示，以便跨越隔離模仿相應(yīng)連接。在這個(gè)“透明”概念中，主機(jī)與外設(shè)之間的通信方式和圖1中的非隔離式連接十分類(lèi)似。透明的USB隔離器元件可方便地插入收發(fā)器和USB電纜之間，并使用隔離電源。原本設(shè)計(jì)用于非隔離式應(yīng)用的主機(jī)和外設(shè)可方便地連接USB隔離器并交換標(biāo)準(zhǔn)USB信號(hào)，無(wú)需大幅改動(dòng)設(shè)計(jì)。

這種方法非常有吸引力，只要此概念可以真正實(shí)現(xiàn)，但需克服一些挑戰(zhàn)。例如，獨(dú)立的光電耦合器或數(shù)字隔離器通常不提供兼容USB的驅(qū)動(dòng)特性，也不支持雙向半雙工通信方式。很多光電耦合器無(wú)法在12 Mbps或更高速率工作，并且具有較高的傳播延遲和時(shí)序誤差，不符合USB 2.0時(shí)序要求。后面還將提到其他問(wèn)題。

目前，我們先討論不透明的替代方案，如[1]中所述的方案。這些解決方案將隔離放在主機(jī)或外設(shè)的硬件內(nèi)部，而不是通過(guò)隔離平分USB電纜。這樣可以放在USB收發(fā)器和串行接口引擎(SIE)之間，或者SIE和USB控制器之間。如此，便可以采用獨(dú)立的通用隔離器來(lái)隔離單向數(shù)字邏輯信號(hào)。然而，這樣做有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，必須定制USB收發(fā)器或控制器硬件，才能插入隔離元件。可能還需要額外的
微控制器代碼或修改USB驅(qū)動(dòng)器軟件。這將會(huì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的工作量，并顯著增加所需的電路板空間，因?yàn)檫@些解決方案非常復(fù)雜，要用到多個(gè)器件。另一個(gè)不足之處是，這樣可能會(huì)導(dǎo)致總數(shù)據(jù)吞吐速率的下降，因?yàn)閿?shù)據(jù)現(xiàn)在通過(guò)USB收發(fā)器和單獨(dú)隔離的串聯(lián)組合方案發(fā)送。隔離方案可能增加與編碼和解碼為另一種串行格式(如SPI)有關(guān)的延遲，或者增加與低速或隔離元件的非精確時(shí)序有關(guān)的延遲。

雖然存在這些缺點(diǎn)，但這類(lèi)解決方案是在無(wú)法解決透明USB隔離器部署難題時(shí)的唯一可行方案。現(xiàn)在可以采用透明解決方案了。本文的余下篇幅將描述一個(gè)完全符合要求的示例。

透明USB隔離器要求

一個(gè)USB隔離器系統(tǒng)必須滿足一些要求，以實(shí)現(xiàn)完全的“透明”工作：

1. 它必須驅(qū)動(dòng)UD+、UD–、DD+和DD–，驅(qū)動(dòng)方式與標(biāo)準(zhǔn)USB收發(fā)器相同，并實(shí)際包含兩個(gè)USB兼容收發(fā)器，分布在隔離柵兩側(cè)(圖3)。

2. 它必須管理USB電纜上的雙向通信，確保其收發(fā)器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行發(fā)送和接收，并精確重現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)和空閑狀態(tài)。若要精確重現(xiàn)空閑狀態(tài)，它必須在其上游側(cè)配置上拉電阻，以模擬連接下游外設(shè)的上拉電阻狀態(tài)。它在下游側(cè)也需配置下拉電阻。必須監(jiān)控總線上表示總線空閑、分組開(kāi)始和分組結(jié)束的信號(hào)，以便正確響應(yīng)這些狀況。

3. USB隔離器內(nèi)部的信號(hào)隔離器元件必須跨越隔離柵正向和反向傳輸D+和D–數(shù)據(jù)。如果信號(hào)隔離器是單向的(通常如此)，則USB隔離器系統(tǒng)需要多個(gè)隔離通道，其中某些通道沿下游方向傳輸，另一些通道則相反，沿上游方向傳輸。

4. 信號(hào)隔離器必須以精確時(shí)序快速運(yùn)行，以便支持所需的USB信號(hào)速度，并滿足USB傳播延遲和時(shí)序誤差要求。

5. USB隔離器的每一側(cè)都應(yīng)支持5 V或3.3 V電源提供的功率。如果提供5 V電源，那么隔離器應(yīng)當(dāng)獲得適合為該側(cè)USB收發(fā)器供電的3.3 V調(diào)節(jié)電源。如果電源為3.3 V，那么隔離器可利用它來(lái)直接為USB收發(fā)器供電，并旁路其調(diào)節(jié)器。

透明USB隔離器的實(shí)現(xiàn)

ADI的ADuM4160 USB數(shù)字隔離器2滿足全部要求，采用16引腳SOIC封裝。原理框圖如圖3所示。它包含一對(duì)USB收發(fā)器、5個(gè)基于iCoupler?的數(shù)字隔離通道、控制邏輯以及2個(gè)“智能調(diào)節(jié)器”。它還集成1.5 kΩ上游上拉電阻，以及15 kΩ下游下拉電阻。

其USB收發(fā)器由簡(jiǎn)化控制器控制，后者無(wú)需完全解碼并分析數(shù)據(jù)分組即可支持隔離功能。它能監(jiān)控UD+、UD–、DD+和DD–，使信號(hào)指示總線空閑、分組啟動(dòng)和分組結(jié)束，并利用它們正確使能或禁用USB發(fā)送器，并忽略分組數(shù)據(jù)內(nèi)容。若將下游分組數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸至外設(shè)，則會(huì)激活圖3中的兩個(gè)高位隔離通道，這與上游USB接收器和下游USB發(fā)送器相同。數(shù)據(jù)從UD+/UD–復(fù)制到DD+/DD–。分組結(jié)束時(shí)，檢測(cè)分組結(jié)束序列，禁用所有USB發(fā)送器，允許總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。如果外設(shè)隨后開(kāi)始傳輸上游分組數(shù)據(jù)，則USB隔離器檢測(cè)分組啟動(dòng)序列，使能第三和第四條隔離通道以及上游USB發(fā)送器，并將數(shù)據(jù)從DD+/DD–復(fù)制到UD+/UD–，直到分組結(jié)束。然后，總線再次返回空閑狀態(tài)，所有發(fā)送器關(guān)斷，等待新數(shù)據(jù)到達(dá)。

ADuM4160使用第五條隔離通道交流下游側(cè)控制線路的狀態(tài)3，該控制線路激活一個(gè)集成在上游側(cè)的上拉電阻，使得下游端口能夠控制上游端口何時(shí)連接USB總線。該引腳可以連接到外設(shè)上拉電阻、一條控制線路或VDD2引腳，具體取決于何時(shí)執(zhí)行初始總線連接。將引腳與外設(shè)的上拉電阻相連可讓上游上拉電阻模擬其狀態(tài)，同時(shí)讓ADuM4160的下拉電阻模擬所連接主機(jī)的狀態(tài)。所有活動(dòng)與空閑狀態(tài)均從隔離的一側(cè)復(fù)制到另一側(cè)。

隔離通道是采用芯片級(jí)變壓器的數(shù)字隔離器，可實(shí)現(xiàn)隔離通信。所有通道均可在100 Mbps以上工作，輕松支持12 MbpsUSB“全速”數(shù)據(jù)。單芯片內(nèi)集成所有通道可使能針對(duì)時(shí)序的嚴(yán)格控制，實(shí)現(xiàn)滿足USB時(shí)序要求的低時(shí)序誤差。ADuM4160產(chǎn)生的總傳播延遲等于標(biāo)準(zhǔn)USB集線器產(chǎn)生的延遲?？臻e總線的靜態(tài)功耗低于USB限值。

智能調(diào)節(jié)器支持上文第5條要求中的電源選項(xiàng)，無(wú)需用戶特別控制4。若要采用5 V為USB隔離器的一側(cè)上電(如上游側(cè))，則應(yīng)將5 V電源連接適當(dāng)?shù)腣BUS引腳(如VBUS1)，而VDD1不連接。當(dāng)傳感器檢測(cè)到電壓施加于VBUS1而非VDD1時(shí)，將激活3.3 V調(diào)節(jié)器，為VDD1上電。

若要轉(zhuǎn)而采用3.3 V上電USB隔離器的一側(cè)(如下游側(cè))，則3.3 V電源應(yīng)同時(shí)連接VBUS2和VDD2。當(dāng)傳感器檢測(cè)到電壓同時(shí)施加在兩個(gè)引腳上時(shí)，將禁用片內(nèi)調(diào)節(jié)器，以便直接使用外部3.3 V電源。

結(jié)論

“透明”USB隔離器理論上可隔離平分USB電纜，現(xiàn)可輕松用于原本針對(duì)非隔離式應(yīng)用設(shè)計(jì)的USB硬件。與此相反，在主機(jī)或外設(shè)硬件內(nèi)實(shí)現(xiàn)隔離則要求對(duì)硬件進(jìn)行較大的更改，有時(shí)甚至可能降低USB性能。使用分立器件(比如現(xiàn)成的通用隔離器)完成透明方案難度很大。然而，最新的集成式解決方案(如ADuM4160)通過(guò)便利的單一封裝解決了這些難題，極大地簡(jiǎn)化了USB應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)隔離的過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

[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

[3] U.S. Patent #8432182.
[4] U.S. Patent #8564327.

作者簡(jiǎn)介

Eric Gaalaas [eric.gaalaas@analog.com]是一位混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)工程師，任職于ADI公司的iCoupler數(shù)字隔離器部門(mén)。他擁有美國(guó)康奈爾大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。Eric發(fā)表了很多相關(guān)文章，并擁有九項(xiàng)專(zhuān)利。