數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(guò)去難以克服實(shí)現透明USB隔離器的挑戰時(shí)，這些方案是唯一可行的選擇。但是現在，透明的隔離解決方案已成為現實(shí)，本文的后半部分將具體描述一個(gè)完全符合要求的實(shí)例。

透明USB隔離器的要求

USB隔離器系統必須滿(mǎn)足下述要求，才能實(shí)現真正的“透明”操作：

作為標準的USB收發(fā)器，USB隔離器系統必須能夠以同樣的方式驅動(dòng)UD+、UD-、DD+和DD-，且實(shí)際上應包含兩個(gè)USB兼容收發(fā)器，分別位于絕緣阻障的兩端（圖3）。

USB隔離器系統的收發(fā)器必須能夠在適當的時(shí)間發(fā)送和接收信息，以管理USB線(xiàn)纜上的雙向通信，且USB隔離器系統必須能夠準確地復制所有驅動(dòng)和空閑狀態(tài)。要想準確地復制空閑狀態(tài)，USB隔離器系統必須在上游側設置一個(gè)上拉電阻器來(lái)模擬連接至下游側外設上的上拉電阻的狀態(tài)。當然，也可以在下游側設置一些下拉電阻。此外，必須對總線(xiàn)進(jìn)行監控，識別指示空閑總線(xiàn)、數據包頭、數據包尾的信號，以便能夠實(shí)時(shí)應對各種狀況。

USB隔離器內部的信號隔離器組件必須能夠穿過(guò)隔離阻障來(lái)回交流D+和D-數據。如果信號隔離器是單向的（因為一般情況下都是），USB隔離器系統需要多個(gè)隔離通道，有些負責在下游方向傳送數據，有些負責在相反的上游方向傳送數據。

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

USB隔離器的兩端均應支持5V或3.3V電源。如果是5V電源，隔離器應能夠衍生出適用于一側USB收發(fā)器的3.3V穩壓電源。如果是3.3V電源，隔離器能夠旁路調節器，直接使用該電源為USB收發(fā)器供電。

透明USB隔離器的實(shí)現

美國ADI公司的ADuM4160 USB數字隔離器（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數字隔離通道、控制邏輯和兩個(gè)“智能調節器”。此外，該器件還包括一個(gè)1.5kΩ的上游側上拉電阻和數個(gè)15kΩ的下游側下拉電阻。

ADuM4160的USB收發(fā)器由一個(gè)簡(jiǎn)化控制器進(jìn)行控制，無(wú)需完全解碼和分析數據包即可實(shí)現隔離功能。此外，它還可以監控UD+、UD-、DD+和DD-，識別指示空閑總線(xiàn)、數據包頭、數據包尾的信號，從而在忽略數據包內容的同時(shí)正確地使能或去使能USB收發(fā)器。當在下游側從主機向外設傳輸數據包時(shí)，圖3中上方的兩條隔離通道處于有效狀態(tài)，用作上游側USB接收器和下游側USB發(fā)射器。數據從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-.當數據包傳輸結束時(shí)，USB隔離器檢測到尾部序列后就會(huì )去使能所有USB收發(fā)器，使總線(xiàn)進(jìn)入空閑狀態(tài)。如果接下來(lái)外設開(kāi)始向上游側傳輸數據包，USB隔離器檢測到數據包頭部序列后就會(huì )使能第三和第四條隔離通道以及上游側USB發(fā)射器，并將數據從UD+/UD-拷貝到DD+/DD-，直到數據包傳輸結束。然后，總線(xiàn)再次進(jìn)入空閑狀態(tài)，所有發(fā)射器也被關(guān)閉，等待新的數據傳輸。

ADuM4160使用第五隔離通道來(lái)傳遞下游側（參考文獻3）控制線(xiàn)路的狀態(tài)信息，從而激活一個(gè)集成于上游側的上拉電阻，這使得下游端口能夠控制上游端口何時(shí)連接USB總線(xiàn)。該引腳可以連接到外設上拉電阻、一條控制線(xiàn)路或VDD2引腳，具體取決于何時(shí)執行初始總線(xiàn)連接。將該引腳連接到外設上拉電阻可以使上游側上拉電阻模擬其狀態(tài)，同時(shí)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復制到另一側。

隔離通道是使用芯片級變壓器技術(shù)實(shí)現隔離通信的數字隔離器。每一單個(gè)通道的運行速度均超過(guò)100Mbps，可以輕松支持12Mbps的全速USB數據傳輸。把所有通道集成到一個(gè)單獨的芯片上可以實(shí)現對時(shí)間的嚴密控制，從而降低定時(shí)誤差，以滿(mǎn)足USB的定時(shí)要求。此外，穿過(guò)ADuM4160的全部傳播延遲相當于穿過(guò)一個(gè)標準USB集線(xiàn)器的延遲，且靜態(tài)功耗要低于空閑總線(xiàn)的USB限制值。

智能調節器支持上面第5條要求中提到的電源選項，且無(wú)需明確的用戶(hù)控制（參考文獻4）。如要使用5V電源（例如上游側）為USB隔離器的一側供電，則要將該5V電源連接到合適的VBUS引腳（如VBUS1）上，且將VDD1設為斷開(kāi)狀態(tài)。當傳感器檢測到電壓是應用于VBUS1而非VDD1時(shí)，傳感器會(huì )激活3.3V調節器，為VDD1供電。

要想使用3.3V電源（例如下游側）為USB隔離器的一側供電，要將3.3V電源與VBUS2和VDD2相連接。當傳感器檢測到兩側引腳上同時(shí)出現外加電壓時(shí)，就會(huì )去使能片上調節器，直接使用外接3.3V電源。