USB接口的光電隔離保護方案及其實現(xiàn)

目前計算機的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺電腦都有2到4個USB口。當(dāng)一臺電腦同時接多個USB外部設(shè)備時，如果這些外部設(shè)備介入了高電壓干擾，就可能會燒壞電腦的USB口甚至電腦以及外設(shè)。目前電腦的幾種通信接口中，MODEM口以及以太網(wǎng)接口由于本身具有變壓器隔離所以不容易損壞，而RS-232串口也可以選用波仕的 RS-232光電隔離器來進行有效的保護，只有USB以及類似的1394接口目前還沒有方便的隔離保護方案。本文提供了一種對USB信號進行光電隔離的電路，可以使USB的接口得到保護.

實現(xiàn)原理

圖1為將USB信號(D+、D—)轉(zhuǎn)換為光信號的原理框圖。

USB信號檢測電路(1)將D+和D—變換為“或”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態(tài)緩沖器(2)

(通過控制端EN來控制邏輯“通”與“端”。當(dāng)EN=“0”時，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當(dāng)EN=“1”時，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。光發(fā)射驅(qū)動電路(3)將DOR和RCV轉(zhuǎn)換為三種光強度(亮、半亮、暗)。光接收電路(4)將接收到的三種光強度(亮、半亮、暗)恢復(fù)為D+和D—的三種狀態(tài)。光接收電路(4)的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩(wěn)延時電路(5)。單穩(wěn)延時電路(5)的輸出EN平時(即USB信號處于閑置狀態(tài)時)為“0”，當(dāng)其輸入H 有下降延(即由“1”變?yōu)?ldquo;0”)時輸出EN由“0”變?yōu)?ldquo;1”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復(fù)為“0”。另一雙可控三態(tài)緩沖器(2)通過控制端EN來控制來控制邏輯“通”與“斷”，當(dāng)EN=“1”時，VP=H、VM=L，而當(dāng)EN=“0”時輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。

具體實施方式

圖2 將USB信號轉(zhuǎn)換為光信號的具體電路圖

圖2為將USB信號轉(zhuǎn)換為光信號的具體電路圖。假設(shè)USB為全速狀態(tài)(12M)，此時D+通過大約1.5KΩ的電阻接+5V電源。平時USB信號處于閑置(Idle)狀態(tài)，此時D+為“1”(高電平，大約3至5V)，D—為邏輯“0”(低電平，大約0至1.4V)。IC1為“或”門。IC2、 IC4、IC5和IC6為可控三態(tài)緩沖器。其中，IC2和IC4是當(dāng)其控制信號EN為“0”時導(dǎo)通的，而IC5和IC6是當(dāng)其控制信號EN為“1”時導(dǎo)通的。由于IC2和IC4在不導(dǎo)通時(即EN為“1”時)輸出為高阻狀態(tài)，所以在IC2的輸出端加了上拉電阻R1、在IC4的輸出端加了上拉電阻R2。 IC3、IC10和IC11是比較器。IC7是單穩(wěn)觸發(fā)電路由輸入端(信號VP)下降沿觸發(fā)，輸出EN平時為“0”。當(dāng)IC7的輸入端出現(xiàn)一個下降沿時，其輸出端將出現(xiàn)一個持續(xù)時間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復(fù)為“0”。IC7的輸出信號EN通過控制IC2、IC4、IC5和IC6來控D+、D —的“收/發(fā)”狀態(tài)。由于EN平時為“0”，所以平時允許接收D+和D—(IC2、IC4導(dǎo)通)，而禁止發(fā)送信號到D+和D—上(IC5和IC6輸出為高阻態(tài))。IC8是一個復(fù)合邏輯電路，其輸入、輸出以及光發(fā)射二極管的光強度關(guān)系如表1：

IC8的輸出A和B是具有足夠電流驅(qū)動能力的電壓，通過電阻R3和R4送給光發(fā)射二極管IC12。光發(fā)射二極管IC12的輸出光強度大致正比于輸入電流。當(dāng)A和B同時為“1”時，通過光發(fā)射二極管的電流最大，所以此時光強度狀態(tài)稱為“全亮”。當(dāng)A為“1”、B為“0”時，電流只有大約一半，此時光強度狀態(tài)為“半亮”。當(dāng)A為“0”、B為“0”時，電流為0，此時光強度狀態(tài)為“暗”。IC13為光接收器。由于如圖描述的電路是實際產(chǎn)品的一半，即在相互光電隔離的兩個USB口各加一個這樣的USB轉(zhuǎn)光的電路，所以IC13光接收器接對方電路的光發(fā)射二極管的光(即通過光電耦合器)。IC13接收光， IC13的輸出為與接收到的光的強度大致成正比的電壓。無接收光時(即對方發(fā)射的光強度為“暗”)，IC13的輸出V0大約為0。由于比較器IC10、 IC11的負(fù)端輸入電壓都大于0，所以IC10和IC11的輸出的邏輯狀態(tài)均為“0”，即H=“0”且L=“0”。當(dāng)對方光發(fā)射強度為“全亮”時， IC13的輸出電壓比V1和V2都大(V1、V2的值都可通過調(diào)節(jié)電阻R5、R6和R7的值得到)，所以IC10、IC11的輸出的邏輯狀態(tài)為H=“1” 且L=“1”。當(dāng)對方光發(fā)射強度為“半亮”時，IC13的輸出電壓比V1大而比V2小(V1、V2的值都可通過調(diào)節(jié)電阻R5、R6和R7的值得到)，所以 IC10、IC11的輸出的邏輯狀態(tài)為H=“0”且L=“1”。IC9是一個復(fù)合邏輯電路，其輸入與輸出以及接收光強度的關(guān)系如表2。

輸入與輸出以及接收光強度的關(guān)系表

對于全速USB的信號，平時閑置狀態(tài)(Idle)時D+為邏輯“1”、D—為邏輯“0”，所以IC1、IC2的輸出為“1”，IC3、IC4的輸出為“1”，這樣根據(jù)表1 可知輸出光強度為“暗”。當(dāng)光強度為“暗 ”時，根據(jù)表2傳到對方電路的光接收器并經(jīng)過對方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開始傳輸數(shù)據(jù)，則D+和D—的信號邏輯狀態(tài)發(fā)生變化。全速USB的信號狀態(tài)變化為：D+由“1”變成為“0”，D—由“0”變成為“1”。上位機的USB信號狀態(tài)先出現(xiàn)變化，此時IC1和IC2 的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。