使用數字隔離器簡(jiǎn)化醫療和工業(yè)應用中的USB隔離

圖4. 隔離的外部USB收發(fā)器。

第四種方法：直接在D+和D-線(xiàn)線(xiàn)中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現有的USB應用中添加D+/D-隔離，而無(wú)需重寫(xiě)驅動(dòng)程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但是，D+和D-線(xiàn)的隔離較為復雜，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，其運行不應要求額外的設備驅動(dòng)程序相關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)。

圖5. 隔離D+/D-線(xiàn)。

新型芯片級器件ADuM4160 USB隔離器解決了這些挑戰性難題（圖6），它支持低速和全速USB的D+和D-線(xiàn)直接隔離。

圖6. ADuM4160的框圖。

ADI公司的iCoupler? 技術(shù)3 特別適合于構建USB隔離器。在開(kāi)發(fā)USB隔離器時(shí)所面臨的主要挑戰是正確確定數據傳輸的方向，以及何時(shí)禁用驅動(dòng)器以讓總線(xiàn)處在空閑狀態(tài)。USB數據的面向數據包特性使我們可以使用一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定數據方向，免去了整個(gè)SIE的開(kāi)銷(xiāo)。當總線(xiàn)空閑時(shí)，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅動(dòng)總線(xiàn)。

ADuM4160監視總線(xiàn)的上游和下游部分，等待來(lái)自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時(shí)，則對信號進(jìn)行編碼并傳過(guò)隔離阻障。這些數據被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅動(dòng)器在電纜的另一段上進(jìn)行傳輸。從第一次傳送開(kāi)始，由于數據流的方向已得到確認，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續收到數據，隔離器就沿相同的方向繼續傳輸數據。當USB數據包結束時(shí)，ADuM4160傳輸特殊的數據——包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應包含在任何數據結構中。ADuM4160可以區分有效數據和包尾標識。包尾標識通知總線(xiàn)返回空閑狀態(tài)。然后，ADuM4160禁用輸出驅動(dòng)器，并開(kāi)始監視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數據傳輸的方向。

此外，當發(fā)生總線(xiàn)錯誤時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)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。隔離器的每側支持一個(gè)獨立的USB總線(xiàn)段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當在總線(xiàn)上有某個(gè)設備需要進(jìn)入初始化序列（稱(chēng)為枚舉）時(shí)，上拉電阻發(fā)出信號。知道外設的工作速度以及何時(shí)應連接上拉電阻，使枚舉過(guò)程以受控的方式啟動(dòng)。有幾個(gè)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，隔離器的設計保證對所有給定的電源組合給出可預測的操作。有時(shí)，如外設需在開(kāi)始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話(huà)，外設要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側提供了一個(gè)控制引腳以便由外設來(lái)決定何時(shí)開(kāi)始枚舉。

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

ADuM4160可按以下三種方式之一使用：

安裝在外設中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個(gè)配置為基礎應用設計的，該設計極大地簡(jiǎn)化了電源和控制配置（圖7）。

可用來(lái)隔離集線(xiàn)器以及集線(xiàn)器所有的下游外設（圖8）。

可用于隔離電纜（圖9）。

下面的示例給出了ADuM4160在這些應用中的連接方法。

在外設應用中（圖7），外設有自己的電源，幾乎不需要從USB電纜獲得能量——只需約10毫瓦來(lái)驅動(dòng)該隔離器的上游側和上拉電阻。由于外設以單一速度運行，該隔離器按期望的速度（全速或低速）設置以硬連線(xiàn)方式與外設連接。如果外設端口具有高速性能，那么，它在枚舉期間發(fā)送高速的“chirp”信號。這通常會(huì )啟動(dòng)速度協(xié)商以實(shí)現高速操作，但ADuM4160會(huì )阻斷“chirp”信號并自動(dòng)迫使高速外設運行在全速模式。對不帶電源的低功耗外設，可用隔離型DC/DC轉換器（如ADuM5000）給外設供電，而ADuM4160從USB電纜汲取能量。

圖7. 隔離的外設端口。

在作為集線(xiàn)器隔離器使用時(shí)，ADuM4160把集線(xiàn)器作為外設來(lái)對待（圖8）。ADuM4160設置為全速，其它部分與上面討論的標準外設類(lèi)似。在A(yíng)DuM4160的chirp功能干預下，集線(xiàn)器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線(xiàn)器芯片都可以連接到低速和全速設備的各種組合。集線(xiàn)器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動(dòng)或延遲啟動(dòng)的方式進(jìn)行。集線(xiàn)器要求提供的能量通常高于上游電纜通過(guò)隔離型DC/DC轉換器供電的能力。

圖8. 隔離的集線(xiàn)器。

驅動(dòng)隔離的USB電纜（圖9）需使用DC/DC轉換器為下游端口和電纜供電。為了滿(mǎn)足USB規范的要求，電纜的下游部分必須向外設的上拉電路提供5V電源?？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉換器可以用于提供這個(gè)電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower?器件的使用方法4 。在這個(gè)應用中，ADuM4160以硬連線(xiàn)連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個(gè)USB速度運行，要切換速度模式須重新接線(xiàn)或通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)以手動(dòng)方式切換或采用更復雜的電路，這依賴(lài)于末端用戶(hù)的需求。

圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

結束語(yǔ)

USB已融入我們的生活。ADI公司具有突破性的ADuM4160隔離器可在USB應用中簡(jiǎn)單而廉價(jià)地實(shí)現外設隔離，進(jìn)而使USB在醫療和工業(yè)應用領(lǐng)域的應用遠遠超出診斷端口和臨時(shí)連接的范圍。著(zhù)重于在D+/D–線(xiàn)中提供隔離，ADuM4160極大地簡(jiǎn)化了隔離的實(shí)現。它支持全速和低速運行，可滿(mǎn)足眾多應用的帶寬要求。