數字隔離器是一種方便易用的USB隔離方法

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線(xiàn)）的縮寫(xiě)，個(gè)人電腦（PC）可以使用USB通過(guò)連接電纜與外設進(jìn)行通信。但是出于安全考慮，在某些應用中需要隔離USB通信或隔斷接地回路。遺憾的是，由于USB連接電纜上的數據流是雙向傳輸，所以隔離工作也非易事。這篇文章討論的就是方便易用的USB隔離設備在實(shí)際應用中遇到的挑戰，并對比了各種不同的解決方案。“透明的”理想方案是將添加隔離設備帶給系統的影響降至最低限度，而這樣的解決方案目前已經(jīng)成為可能。

本設計實(shí)例主要針對的是以三種數據傳輸速率運行的USB2.0：低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速（480Mbps）。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文著(zhù)重探討了12Mbps的全速USB，且實(shí)例中的大部分實(shí)現原理也適用于以其他數據傳輸速率運行的USB設備。

關(guān)于USB

USB大受歡迎的一個(gè)原因是其簡(jiǎn)單的4線(xiàn)接口設計，不但可以為外設供電，還可以在外設和PC間充當串行數據鏈路。圖1是標準的USB(參考文獻1)連接示意圖。VBUS線(xiàn)可以為外設提供5V電力，GND為接地線(xiàn)，而D+和D-則用來(lái)傳輸數據。信號是雙向半雙工傳輸，意味著(zhù)數據可以在線(xiàn)纜的任意方向流動(dòng)，但是無(wú)論何時(shí)，最多只有一個(gè)發(fā)射器可以有效驅動(dòng)該線(xiàn)纜。在通信過(guò)程中，USB發(fā)射器驅動(dòng)差分或單端狀態(tài)信號到D+和D-線(xiàn)。數據被組織成數據包，其中有特別的信號序列標識數據包的頭部和尾部。有時(shí)，總線(xiàn)會(huì )處于空閑狀態(tài)，也就意味著(zhù)沒(méi)有發(fā)射器處于活躍狀態(tài)，此時(shí)與線(xiàn)纜兩端相連的電阻在D+和D-線(xiàn)建立起“空閑”總線(xiàn)狀態(tài)?？臻e狀態(tài)會(huì )促成兩個(gè)數據包之間總線(xiàn)的初始化，并使主機了解外設何時(shí)連接或斷開(kāi)以及外設期望的通信速率（1.5Mbps、12Mbps或480Mbps）。



隔離USB主機和外設的方法

現在想象一下對主機和外設進(jìn)行電氣隔離的方法。如參考文獻1中提到的，添加隔離阻障的方法有很多。但是無(wú)論如何都必須對信號進(jìn)行隔離。信號是高速運行還是雙向運行要取決于隔離阻障的具體添加位置，增加了從具體零部件中構建隔離阻障的難度。這樣一來(lái)，隔離過(guò)程需要使用到更多的材料，而且也很難發(fā)現完全符合信號要求的分離組件。

圖2a給出的是一種可能的隔離方法，其中虛線(xiàn)表示對USB線(xiàn)纜的概念分割。有關(guān)D+和D-線(xiàn)的信息可以穿過(guò)隔離阻障，但是電流不可以。在這種情況下，接地端1（上游側接地基準）是獨立于接地端2（下游側接地基準）的一個(gè)單獨節點(diǎn)。不幸的是，這種隔離方法使主機無(wú)法“看到”下游側上拉電阻，且外設也無(wú)法“看到”上游側下拉電阻。因此，正如圖2b所示，這種隔離方法需要一些額外的電阻來(lái)模擬其相對物穿過(guò)隔離阻障的連接方式。在這一“透明”隔離概念中，主機與外設之間的通信與圖1非隔離USB連接的運行原理類(lèi)似。透明的USB隔離器組件簡(jiǎn)單地插入到某個(gè)收發(fā)器與USB線(xiàn)纜之間，還有一個(gè)隔離電源。最初為非隔離應用設計的主機和外設可以輕松地連接到USB隔離器上，無(wú)需重大更改即可實(shí)現標準USB信號的交互。

假如可以真正實(shí)現，這種方法還是極具吸引力的，但是真正實(shí)現起來(lái)需要面臨各種挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，獨立式光耦合器或者數字隔離器一般不支持USB兼容驅動(dòng)特性，也不支持雙向半雙工通信。此外，很多光耦合器無(wú)法以12Mbps或更快的速度運行，且傳播延遲較長(cháng)并存在定時(shí)誤差，這些都不符合USB2.0的定時(shí)要求。還有一些問(wèn)題會(huì )在后面講述。

現在，我們轉移一下注意力，考慮一下不透明的替代選擇，比如參考文獻1中描述的那些。這些方案不再對USB線(xiàn)纜平分隔離，而是把隔離阻障放置到主機或外設的硬件中—可以放置在USB收發(fā)器與串行接口引擎（SIE）之間，或者串行接口引擎與USB控制器之間。這樣就可以將單向數字邏輯信號與獨立式通用隔離器分離開(kāi)來(lái)。但是，這樣的方案也存在一些重大缺陷。首先，USB收發(fā)器或控制器硬件必須經(jīng)過(guò)定制，使其能夠容納隔離組件；還可能需要一些額外的微控制器代碼或USB驅動(dòng)軟件方面的改動(dòng)。所有這些無(wú)疑會(huì )加大系統設計師的工作負擔。而由于這些方案比較復雜且需要不同的組件，也會(huì )大大增加所需的板空間。

另外一個(gè)缺陷就是，數據傳送需要USB收發(fā)器和單獨隔離方案的一系列組合，可能會(huì )導致整體數據吞吐量降低。此外，隔離方案可能會(huì )增加與編解碼成其它串行格式如串行外設接口（SPI）相關(guān)的延遲或者與隔離組件低速或非精確定時(shí)相關(guān)的延遲。