使用數(shù)字隔離器簡化醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)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-線線中插入隔離（圖5）。這種方式允許在現(xiàn)有的USB應(yīng)用中添加D+/D-隔離，而無需重寫驅(qū)動程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，這是一個很大的優(yōu)點。但是，D+和D-線的隔離較為復(fù)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(yīng)要求額外的設(shè)備驅(qū)動程序相關(guān)的開銷。

圖5. 隔離D+/D-線。

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

圖6. ADuM4160的框圖。

ADI公司的iCoupler? 技術(shù)3 特別適合于構(gòu)建USB隔離器。在開發(fā)USB隔離器時所面臨的主要挑戰(zhàn)是正確確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，以及何時禁用驅(qū)動器以讓總線處在空閑狀態(tài)。USB數(shù)據(jù)的面向數(shù)據(jù)包特性使我們可以使用一種簡單的方法來確定數(shù)據(jù)方向，免去了整個SIE的開銷。當總線空閑時，上拉和下拉電阻使USB保持在空閑狀態(tài)，緩沖器不再驅(qū)動總線。

ADuM4160監(jiān)視總線的上游和下游部分，等待來自任何方向的躍遷信號。當檢測到躍遷信號時，則對信號進行編碼并傳過隔離阻障。這些數(shù)據(jù)被解碼之后，ADuM4160使能輸出驅(qū)動器在電纜的另一段上進行傳輸。從第一次傳送開始，由于數(shù)據(jù)流的方向已得到確認，ADuM4160將禁用反向隔離通道。只要繼續(xù)收到數(shù)據(jù)，隔離器就沿相同的方向繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。當USB數(shù)據(jù)包結(jié)束時，ADuM4160傳輸特殊的數(shù)據(jù)——包尾序列。包尾序列包含非差分信號，而非差分信號不應(yīng)包含在任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ADuM4160可以區(qū)分有效數(shù)據(jù)和包尾標識。包尾標識通知總線返回空閑狀態(tài)。然后，ADuM4160禁用輸出驅(qū)動器，并開始監(jiān)視上游和下游輸入的下一次躍遷，該信號將決定下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?p>此外，當發(fā)生總線錯誤時，看門狗定時器將使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(cè)支持一個獨立的USB總線段，在空閑狀態(tài)連接所有的偏置電阻。當在總線上有某個設(shè)備需要進入初始化序列（稱為枚舉）時，上拉電阻發(fā)出信號。知道外設(shè)的工作速度以及何時應(yīng)連接上拉電阻，使枚舉過程以受控的方式啟動。有幾個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(shè)計保證對所有給定的電源組合給出可預(yù)測的操作。有時，如外設(shè)需在開始USB枚舉之前完成自己的本地初始化的話，外設(shè)要求延遲啟用上游的上拉電阻。ADuM4160在其下游側(cè)提供了一個控制引腳以便由外設(shè)來決定何時開始枚舉。

該器件還可以工作于5V或3.3V電源，因此，外設(shè)僅需一個電源。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(shè)中以隔離其上游端口。ADuM4160是以這個配置為基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)計的，該設(shè)計極大地簡化了電源和控制配置（圖7）。

可用來隔離集線器以及集線器所有的下游外設(shè)（圖8）。

可用于隔離電纜（圖9）。

下面的示例給出了ADuM4160在這些應(yīng)用中的連接方法。

在外設(shè)應(yīng)用中（圖7），外設(shè)有自己的電源，幾乎不需要從USB電纜獲得能量——只需約10毫瓦來驅(qū)動該隔離器的上游側(cè)和上拉電阻。由于外設(shè)以單一速度運行，該隔離器按期望的速度（全速或低速）設(shè)置以硬連線方式與外設(shè)連接。如果外設(shè)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。這通常會啟動速度協(xié)商以實現(xiàn)高速操作，但ADuM4160會阻斷“chirp”信號并自動迫使高速外設(shè)運行在全速模式。對不帶電源的低功耗外設(shè)，可用隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器（如ADuM5000）給外設(shè)供電，而ADuM4160從USB電纜汲取能量。

圖7. 隔離的外設(shè)端口。

在作為集線器隔離器使用時，ADuM4160把集線器作為外設(shè)來對待（圖8）。ADuM4160設(shè)置為全速，其它部分與上面討論的標準外設(shè)類似。在ADuM4160的chirp功能干預(yù)下，集線器被迫以全速運行。即使ADuM4160以固定的速度運行，集線器芯片都可以連接到低速和全速設(shè)備的各種組合。集線器向下游端口的隔離器提供能量，枚舉可以以上電啟動或延遲啟動的方式進行。集線器要求提供的能量通常高于上游電纜通過隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器供電的能力。

圖8. 隔離的集線器。

驅(qū)動隔離的USB電纜（圖9）需使用DC/DC轉(zhuǎn)換器為下游端口和電纜供電。為了滿足USB規(guī)范的要求，電纜的下游部分必須向外設(shè)的上拉電路提供5V電源?？墒褂肁DuM5000等隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器可以用于提供這個電源，另外，它還有足夠的裕量為下游功率要求低的設(shè)備提供能量。圖9顯示了ADuM5000 isoPower?器件的使用方法4 。在這個應(yīng)用中，ADuM4160以硬連線連接的速度引腳有些不便。該電纜每次只能以一個USB速度運行，要切換速度模式須重新接線或通過簡單的開關(guān)以手動方式切換或采用更復(fù)雜的電路，這依賴于末端用戶的需求。

圖9. 包含isoPower的隔離電纜接口。

結(jié)束語

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(yīng)用中簡單而廉價地實現(xiàn)外設(shè)隔離，進而使USB在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用遠遠超出診斷端口和臨時連接的范圍。著重于在D+/D–線中提供隔離，ADuM4160極大地簡化了隔離的實現(xiàn)。它支持全速和低速運行，可滿足眾多應(yīng)用的帶寬要求。