USB是個人電腦的首選串行接口。該接口得到所有常用的商業(yè)操作系統(tǒng)的支持，且允許硬件和驅(qū)動器熱插拔。一臺主機可以集中星型方式連接多達(dá)127個設(shè)備。許多數(shù)據(jù)傳輸模式可處理存儲設(shè)備的大批量數(shù)據(jù)傳輸、流媒體的同步傳輸以及時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)的中斷驅(qū)動型傳輸(如鼠標(biāo)移動)等各類傳輸。USB以三種數(shù)據(jù)傳輸速率運行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。該規(guī)范創(chuàng)建后強化了消費應(yīng)用，這些應(yīng)用要求連接必須簡單且具有魯棒性，由控制器和物理層信令來解決復(fù)雜性的問題。

USB物理層只包含4條線：兩條向外設(shè)提供5V電源和地，另外兩條(D+和D-)構(gòu)成可傳遞差分?jǐn)?shù)據(jù)的雙絞線對(圖1)。這些線也可傳遞單端數(shù)據(jù)以及用無源電阻實現(xiàn)的空閑狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備連接到總線上時，無源電阻結(jié)構(gòu)中的電流對傳輸速度進(jìn)行協(xié)商，并建立無驅(qū)動的空閑狀態(tài)。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包，每幀可以包含時鐘同步位、數(shù)據(jù)類型標(biāo)識符、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)有效載荷及包尾序列。

串行接口引擎(SIE)在電纜的兩端對這個復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，這個專用控制器(或作為更大控制器的一部分)實現(xiàn)USB協(xié)議，通常內(nèi)置USB收發(fā)器硬件。當(dāng)某個外設(shè)首次連接到電纜上時，SIE在 枚舉,2 期間向宿主計算機提供外設(shè)的配置信息和功率要求。在運行期間，SIE把所有數(shù)據(jù)按照要求的傳輸類型格式化,并提供錯誤檢查和自動故障處理。SIE處理總線上的所有控制流，并按需要使能和禁用線驅(qū)動器和接收器。主機啟動所有的處理業(yè)務(wù)，然后按明確規(guī)定的數(shù)據(jù)序列在主機和外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)損壞和出現(xiàn)其它故障的情況。SIE可以內(nèi)建在微處理器中，因此它可能只有D+和D-線與外設(shè)相連。實現(xiàn)這個總線的隔離面臨幾個挑戰(zhàn)：

隔離器幾乎總是單向器件，而D+和D-線是雙向的。SIE不提供確定數(shù)據(jù)傳輸方向的外部方式。隔離器必須與無源電阻的上拉和下拉功能兼容，即與隔離阻障兩側(cè)的電路匹配。隔離USB的典型方法主要是設(shè)法回避上述挑戰(zhàn)。

第一種方法: 使USB接口與需要隔離的設(shè)備完全分離(圖2)。許多設(shè)備可把其它通用的串行總線與USB連接;圖2中顯示了RS-232與USB的連接接口。SIE提供普通的串行接口功能;隔離是在低速串行線中實現(xiàn)的。但這種方法并不能利用USB的優(yōu)勢，所實現(xiàn)的是一個可熱插拔的串行端口。接口芯片可通過改變固件來實現(xiàn)定制，以識別外設(shè)，從而允許創(chuàng)建定制的驅(qū)動程序;但每個外設(shè)可能都需要一個定制的適配器。除非該適配器是永久連在這個外設(shè)上，否則這將是維修人員的噩夢。此外，接口的速度將被限制在標(biāo)準(zhǔn)RS-232的速度，甚至遠(yuǎn)低于低速USB的吞吐量。

第二種方法：使用帶有易隔離接口的獨立SIE(圖3)。市場上有幾種產(chǎn)品(如SPI)使用快速單向接口把SIE連接到微處理器。數(shù)字隔離器(如ADuM1401C 四通道數(shù)字隔離器)可對SPI總線實現(xiàn)完全隔離。由于SIE包含可通過SPI總線填充的緩沖存儲器，SPI的運行速度在很大程度上可不依賴于USB的速度。SIE將與USB主機協(xié)商其可能的最高連接速度，并以協(xié)商得出的總線速度分發(fā)數(shù)據(jù)，直到把緩沖中的數(shù)據(jù)傳遞完。此時，SIE會通知主機如果有更多的數(shù)據(jù)需要傳送則重試，并留出時間使SPI接口可為下一個傳輸循環(huán)重新填充緩存。雖然非常有效，這種方案通常要求修改外設(shè)驅(qū)動程序，并忽視內(nèi)置在外設(shè)的微處理器中的USB電路。該方案在元件和電路板尺寸方面的成本較高。

第三種方法：直接在D+和D-線線中插入隔離(圖5)。這種方式允許在現(xiàn)有的USB應(yīng)用中添加D+/D-隔離，而無需重寫驅(qū)動程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個很大的優(yōu)點。但是，D+和D-線的隔離較為復(fù)雜，因為隔離器件必須能夠像SIE那樣處理控制流，允許在隔離屏障兩邊使用上拉電阻，并確定傳輸速度。另外，其運行不應(yīng)要求額外的設(shè)備驅(qū)動程序相關(guān)的開銷。

4通道全速/低速 USB 數(shù)字隔離器ADUM4160BRWZ-RL監(jiān)視總線的上游和下游部分，等待來自任何方向的躍遷信號。當(dāng)檢測到躍遷信號時，則對信號進(jìn)行編碼并傳過隔離阻障。這些數(shù)據(jù)被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅(qū)動器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開始，由于數(shù)據(jù)流的方向已得到確認(rèn)，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)收到數(shù)據(jù)，隔離器就沿相同的方向繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)USB數(shù)據(jù)包結(jié)束時，ADuM4160傳輸特殊的數(shù)據(jù)——包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ADuM4160可以區(qū)分有效數(shù)據(jù)和包尾標(biāo)識。包尾標(biāo)識通知總線返回空閑狀態(tài)。然后，ADuM4160禁用輸出驅(qū)動器，并開始監(jiān)視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?/p>

此外，當(dāng)發(fā)生總線錯誤時，看門狗定時器將使ADuM4160返回空閑狀態(tài)。ADuM4160使用了基于躍遷的隔離方案，基于躍遷的隔離是iCoupler技術(shù)的核心能力之一。

隔離器還必須支持上拉和下拉電阻。隔離器的每側(cè)支持一個獨立的USB總線段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當(dāng)在總線上有某個設(shè)備需要進(jìn)入初始化序列(稱為枚舉)時，上拉電阻發(fā)出信號。知道外設(shè)的工作速度以及何時應(yīng)連接上拉電阻，使枚舉過程以受控的方式啟動。有幾個因素影響上游上拉電阻的狀態(tài)。上游和下游電源電壓可能有多種組合，隔離器的設(shè)計保證對所有給定的電源組合給出可預(yù)測的操作。有時，如外設(shè)需在開始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話，外設(shè)要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側(cè)提供了一個控制引腳以便由外設(shè)來決定何時開始枚舉。

該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設(shè)僅需一個電源。ADuM4160還具有良好的ESD保護(hù)能力，通常允許在連接器的D+和D-引腳沒有外部保護(hù)電路的情況下熱插拔。

ADuM4160可按以下三種方式之一使用：

安裝在外設(shè)中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個配置為基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)計的，該設(shè)計極大地簡化了電源和控制配置(如下圖)?？捎脕砀綦x集線器以及集線器所有的下游外設(shè)。可用于隔離電纜。

下面的示例給出了ADuM4160在這些應(yīng)用中的連接方法。

在作為集線器隔離器使用時，ADuM4160把集線器作為外設(shè)來對待(圖8)。ADuM4160設(shè)置為全速，其它部分與上面討論的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)類似。在ADuM4160的chirp功能干預(yù)下，集線器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線器芯片都可以連接到低速和全速設(shè)備的各種組合。集線器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動或延遲啟動的方式進(jìn)行。集線器要求提供的能量通常高于上游電纜通過隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電的能力。

驅(qū)動隔離的USB電纜(圖9)需使用DC/DC轉(zhuǎn)換器為下游端口和電纜供電。為了滿足USB規(guī)范的要求，電纜的下游部分必須向外設(shè)的上拉電路提供5V電源?？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用于提供這個電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設(shè)備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower?器件的使用方法4 。在這個應(yīng)用中，ADuM4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個USB速度運行，要切換速度模式須重新接線或通過簡單的開關(guān)以手動方式切換或采用更復(fù)雜的電路，這依賴于末端用戶的需求。

ADuM4160是一款USB端口隔離器。它將高速CMOS工藝與單片空芯變壓器技術(shù)相結(jié)合，可提供優(yōu)異的工作性能，并且很容易與低速和全速USB兼容外設(shè)集成。許多微控制器實施的USB只向外部引腳提供D+和D?線路。這在許多情況下都符合需求，因為它僅需極少的外部器件，并簡化了設(shè)計；不過，當(dāng)需要隔離時，這會帶來難題。USB線路必須自動在主動驅(qū)動D+/D?、接收數(shù)據(jù)與允許外部電阻設(shè)置總線空閑狀態(tài)之間切換。ADuM4160結(jié)構(gòu)既可以檢測數(shù)據(jù)流向，同時能夠控制輸出緩沖的狀態(tài)。數(shù)據(jù)流向根據(jù)一個個分組確定。ADuM4160將基于邊沿檢測的iCoupler技術(shù)與內(nèi)部邏輯結(jié)合使用，可實現(xiàn)透明、易于配置、面對上游的端口隔離器。隔離上游端口具有電路簡單、電源管理和操作穩(wěn)健等多種優(yōu)勢。這款隔離器的傳播延遲與標(biāo)準(zhǔn)集線器和電纜的傳播延遲相當(dāng)。它可以采用任一側(cè)的3.1 V至5.5 V電源電壓供電，并能在內(nèi)部將該電壓調(diào)節(jié)至信號電平，從而與VBUS直接相連。ADuM4160對上拉電阻進(jìn)行隔離控制，以便外設(shè)能控制連接時序。該器件的空閑電流較低；需要掛起模式。

優(yōu)勢特點：

完全兼容USB 2.0

低速和全速數(shù)據(jù)速率：1.5 Mbps和12 Mbps

雙向通信

xD+和xD?線路短路保護(hù)功能

3.3 V和5 V（雙模電源配置） - 欲了解更多信息，請參考數(shù)據(jù)手冊。

3A類接觸式ESD性能，符合ANSI/ESD STM5.1-2007標(biāo)準(zhǔn)

工作溫度最高可達(dá)105°C

高共模瞬變抗擾度：>25 kV/μs

應(yīng)用：

USB外設(shè)隔離

隔離式USB集線器

審核編輯：湯梓紅