數(shù)字隔離器是一種方便易用的USB隔離方法

雖然有這些不足之處，但在過去難以克服實現(xiàn)透明USB隔離器的挑戰(zhàn)時，這些方案是唯一可行的選擇。但是現(xiàn)在，透明的隔離解決方案已成為現(xiàn)實，本文的后半部分將具體描述一個完全符合要求的實例。

透明USB隔離器的要求

USB隔離器系統(tǒng)必須滿足下述要求，才能實現(xiàn)真正的“透明”操作：

作為標(biāo)準(zhǔn)的USB收發(fā)器，USB隔離器系統(tǒng)必須能夠以同樣的方式驅(qū)動UD+、UD-、DD+和DD-，且實際上應(yīng)包含兩個USB兼容收發(fā)器，分別位于絕緣阻障的兩端（圖3）。

USB隔離器系統(tǒng)的收發(fā)器必須能夠在適當(dāng)?shù)臅r間發(fā)送和接收信息，以管理USB線纜上的雙向通信，且USB隔離器系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確地復(fù)制所有驅(qū)動和空閑狀態(tài)。要想準(zhǔn)確地復(fù)制空閑狀態(tài)，USB隔離器系統(tǒng)必須在上游側(cè)設(shè)置一個上拉電阻器來模擬連接至下游側(cè)外設(shè)上的上拉電阻的狀態(tài)。當(dāng)然，也可以在下游側(cè)設(shè)置一些下拉電阻。此外，必須對總線進行監(jiān)控，識別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號，以便能夠?qū)崟r應(yīng)對各種狀況。

USB隔離器內(nèi)部的信號隔離器組件必須能夠穿過隔離阻障來回交流D+和D-數(shù)據(jù)。如果信號隔離器是單向的（因為一般情況下都是），USB隔離器系統(tǒng)需要多個隔離通道，有些負責(zé)在下游方向傳送數(shù)據(jù)，有些負責(zé)在相反的上游方向傳送數(shù)據(jù)。

信號隔離器必須能夠快速運行且具備準(zhǔn)確定時功能，這樣才能滿足USB信令速率與傳播延遲和定時誤差的要求。

USB隔離器的兩端均應(yīng)支持5V或3.3V電源。如果是5V電源，隔離器應(yīng)能夠衍生出適用于一側(cè)USB收發(fā)器的3.3V穩(wěn)壓電源。如果是3.3V電源，隔離器能夠旁路調(diào)節(jié)器，直接使用該電源為USB收發(fā)器供電。

透明USB隔離器的實現(xiàn)

美國ADI公司的ADuM4160 USB數(shù)字隔離器（參考文獻2）符合上述所有要求，并集成在16引腳小型SOIC封裝中。圖3給出的是ADuM4160的框圖。該器件包含一對USB收發(fā)器，5條iCoupler數(shù)字隔離通道、控制邏輯和兩個“智能調(diào)節(jié)器”。此外，該器件還包括一個1.5kΩ的上游側(cè)上拉電阻和數(shù)個15kΩ的下游側(cè)下拉電阻。

ADuM4160的USB收發(fā)器由一個簡化控制器進行控制，無需完全解碼和分析數(shù)據(jù)包即可實現(xiàn)隔離功能。此外，它還可以監(jiān)控UD+、UD-、DD+和DD-，識別指示空閑總線、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包尾的信號，從而在忽略數(shù)據(jù)包內(nèi)容的同時正確地使能或去使能USB收發(fā)器。當(dāng)在下游側(cè)從主機向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)包時，圖3中上方的兩條隔離通道處于有效狀態(tài)，用作上游側(cè)USB接收器和下游側(cè)USB發(fā)射器。數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-.當(dāng)數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時，USB隔離器檢測到尾部序列后就會去使能所有USB收發(fā)器，使總線進入空閑狀態(tài)。如果接下來外設(shè)開始向上游側(cè)傳輸數(shù)據(jù)包，USB隔離器檢測到數(shù)據(jù)包頭部序列后就會使能第三和第四條隔離通道以及上游側(cè)USB發(fā)射器，并將數(shù)據(jù)從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-，直到數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束。然后，總線再次進入空閑狀態(tài)，所有發(fā)射器也被關(guān)閉，等待新的數(shù)據(jù)傳輸。

ADuM4160使用第五隔離通道來傳遞下游側(cè)（參考文獻3）控制線路的狀態(tài)信息，從而激活一個集成于上游側(cè)的上拉電阻，這使得下游端口能夠控制上游端口何時連接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，具體取決于何時執(zhí)行初始總線連接。將該引腳連接到外設(shè)上拉電阻可以使上游側(cè)上拉電阻模擬其狀態(tài)，同時ADuM4160的下拉電阻可以模擬連接到主機的下拉電阻的狀態(tài)。所有有效與空閑狀態(tài)均可從隔離阻障的一側(cè)復(fù)制到另一側(cè)。

隔離通道是使用芯片級變壓器技術(shù)實現(xiàn)隔離通信的數(shù)字隔離器。每一單個通道的運行速度均超過100Mbps，可以輕松支持12Mbps的全速USB數(shù)據(jù)傳輸。把所有通道集成到一個單獨的芯片上可以實現(xiàn)對時間的嚴密控制，從而降低定時誤差，以滿足USB的定時要求。此外，穿過ADuM4160的全部傳播延遲相當(dāng)于穿過一個標(biāo)準(zhǔn)USB集線器的延遲，且靜態(tài)功耗要低于空閑總線的USB限制值。

智能調(diào)節(jié)器支持上面第5條要求中提到的電源選項，且無需明確的用戶控制（參考文獻4）。如要使用5V電源（例如上游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，則要將該5V電源連接到合適的VBUS引腳（如VBUS1）上，且將VDD1設(shè)為斷開狀態(tài)。當(dāng)傳感器檢測到電壓是應(yīng)用于VBUS1而非VDD1時，傳感器會激活3.3V調(diào)節(jié)器，為VDD1供電。

要想使用3.3V電源（例如下游側(cè)）為USB隔離器的一側(cè)供電，要將3.3V電源與VBUS2和VDD2相連接。當(dāng)傳感器檢測到兩側(cè)引腳上同時出現(xiàn)外加電壓時，就會去使能片上調(diào)節(jié)器，直接使用外接3.3V電源。