关于4通道全速/低速USB数字隔离器芯片ADUM4160B

USB是个人电脑的首选串行接口。该接口得到所有常用的商业操作系统的支持，且允许硬件和驱动器热插拔。一台主机可以集中星型方式连接多达127个设备。许多数据传输模式可处理存储设备的大批量数据传输、流媒体的同步传输以及时间关键型数据的中断驱动型传输(如鼠标移动)等各类传输。USB以三种数据传输速率运行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。该规范创建后强化了消费应用，这些应用要求连接必须简单且具有鲁棒性，由控制器和物理层信令来解决复杂性的问题。

USB物理层只包含4条线：两条向外设提供5V电源和地，另外两条(D+和D-)构成可传递差分数据的双绞线对(图1)。这些线也可传递单端数据以及用无源电阻实现的空闲状态。当设备连接到总线上时，无源电阻结构中的电流对传输速度进行协商，并建立无驱动的空闲状态。数据被组织成数据帧或数据包，每帧可以包含时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有效载荷及包尾序列。

串行接口引擎(SIE)在电缆的两端对这个复杂的数据结构进行控制，这个专用控制器(或作为更大控制器的一部分)实现USB协议，通常内置USB收发器硬件。当某个外设首次连接到电缆上时，SIE在 枚举,2 期间向宿主计算机提供外设的配置信息和功率要求。在运行期间，SIE把所有数据按照要求的传输类型格式化,并提供错误检查和自动故障处理。SIE处理总线上的所有控制流，并按需要使能和禁用线驱动器和接收器。主机启动所有的处理业务，然后按明确规定的数据序列在主机和外设之间交换数据，包括数据损坏和出现其它故障的情况。SIE可以内建在微处理器中，因此它可能只有D+和D-线与外设相连。实现这个总线的隔离面临几个挑战：

隔离器几乎总是单向器件，而D+和D-线是双向的。SIE不提供确定数据传输方向的外部方式。隔离器必须与无源电阻的上拉和下拉功能兼容，即与隔离阻障两侧的电路匹配。隔离USB的典型方法主要是设法回避上述挑战。

第一种方法: 使USB接口与需要隔离的设备完全分离(图2)。许多设备可把其它通用的串行总线与USB连接;图2中显示了RS-232与USB的连接接口。SIE提供普通的串行接口功能;隔离是在低速串行线中实现的。但这种方法并不能利用USB的优势，所实现的是一个可热插拔的串行端口。接口芯片可通过改变固件来实现定制，以识别外设，从而允许创建定制的驱动程序;但每个外设可能都需要一个定制的适配器。除非该适配器是永久连在这个外设上，否则这将是维修人员的噩梦。此外，接口的速度将被限制在标准RS-232的速度，甚至远低于低速USB的吞吐量。

第二种方法：使用带有易隔离接口的独立SIE(图3)。市场上有几种产品(如SPI)使用快速单向接口把SIE连接到微处理器。数字隔离器(如ADuM1401C 四通道数字隔离器)可对SPI总线实现完全隔离。由于SIE包含可通过SPI总线填充的缓冲存储器，SPI的运行速度在很大程度上可不依赖于USB的速度。SIE将与USB主机协商其可能的最高连接速度，并以协商得出的总线速度分发数据，直到把缓冲中的数据传递完。此时，SIE会通知主机如果有更多的数据需要传送则重试，并留出时间使SPI接口可为下一个传输循环重新填充缓存。虽然非常有效，这种方案通常要求修改外设驱动程序，并忽视内置在外设的微处理器中的USB电路。该方案在元件和电路板尺寸方面的成本较高。

第三种方法：直接在D+和D-线线中插入隔离(图5)。这种方式允许在现有的USB应用中添加D+/D-隔离，而无需重写驱动程序或增加冗余SIE，同其它方法相比，这是一个很大的优点。但是，D+和D-线的隔离较为复杂，因为隔离器件必须能够像SIE那样处理控制流，允许在隔离屏障两边使用上拉电阻，并确定传输速度。另外，其运行不应要求额外的设备驱动程序相关的开销。

4通道全速/低速 USB 数字隔离器ADUM4160BRWZ-RL监视总线的上游和下游部分，等待来自任何方向的跃迁信号。当检测到跃迁信号时，则对信号进行编码并传过隔离阻障。这些数据被解码之后，ADuM4160使能输出驱动器在电缆的另一段上进行传输。从第一次传送开始，由于数据流的方向已得到确认，ADuM4160将禁用反向隔离通道。只要继续收到数据，隔离器就沿相同的方向继续传输数据。当USB数据包结束时，ADuM4160传输特殊的数据——包尾序列。包尾序列包含非差分信号，而非差分信号不应包含在任何数据结构中。ADuM4160可以区分有效数据和包尾标识。包尾标识通知总线返回空闲状态。然后，ADuM4160禁用输出驱动器，并开始监视上游和下游输入的下一次跃迁，该信号将决定下一次数据传输的方向。

此外，当发生总线错误时，看门狗定时器将使ADuM4160返回空闲状态。ADuM4160使用了基于跃迁的隔离方案，基于跃迁的隔离是iCoupler技术的核心能力之一。

隔离器还必须支持上拉和下拉电阻。隔离器的每侧支持一个独立的USB总线段，在空闲状态连接所有的偏置电阻。当在总线上有某个设备需要进入初始化序列(称为枚举)时，上拉电阻发出信号。知道外设的工作速度以及何时应连接上拉电阻，使枚举过程以受控的方式启动。有几个因素影响上游上拉电阻的状态。上游和下游电源电压可能有多种组合，隔离器的设计保证对所有给定的电源组合给出可预测的操作。有时，如外设需在开始USB枚举之前完成自己的本地初始化的话，外设要求延迟启用上游的上拉电阻。ADuM4160在其下游侧提供了一个控制引脚以便由外设来决定何时开始枚举。

该器件还可以工作于5V或3.3V电源，因此，外设仅需一个电源。ADuM4160还具有良好的ESD保护能力，通常允许在连接器的D+和D-引脚没有外部保护电路的情况下热插拔。

ADuM4160可按以下三种方式之一使用：

安装在外设中以隔离其上游端口。ADuM4160是以这个配置为基础应用设计的，该设计极大地简化了电源和控制配置(如下图)。可用来隔离集线器以及集线器所有的下游外设。可用于隔离电缆。

下面的示例给出了ADuM4160在这些应用中的连接方法。

在作为集线器隔离器使用时，ADuM4160把集线器作为外设来对待(图8)。ADuM4160设置为全速，其它部分与上面讨论的标准外设类似。在ADuM4160的chirp功能干预下，集线器被迫以全速运行。即使ADuM4160以固定的速度运行，集线器芯片都可以连接到低速和全速设备的各种组合。集线器向下游端口的隔离器提供能量，枚举可以以上电启动或延迟启动的方式进行。集线器要求提供的能量通常高于上游电缆通过隔离型DC/DC转换器供电的能力。

驱动隔离的USB电缆(图9)需使用DC/DC转换器为下游端口和电缆供电。为了满足USB规范的要求，电缆的下游部分必须向外设的上拉电路提供5V电源。可使用ADuM5000等隔离型DC/DC转换器可以用于提供这个电源，另外，它还有足够的裕量为下游功率要求低的设备提供能量。图9显示了ADuM5000 isoPower®器件的使用方法4 。在这个应用中，ADuM4160以硬连线连接的速度引脚有些不便。该电缆每次只能以一个USB速度运行，要切换速度模式须重新接线或通过简单的开关以手动方式切换或采用更复杂的电路，这依赖于末端用户的需求。

ADuM4160是一款USB端口隔离器。它将高速CMOS工艺与单片空芯变压器技术相结合，可提供优异的工作性能，并且很容易与低速和全速USB兼容外设集成。许多微控制器实施的USB只向外部引脚提供D+和D−线路。这在许多情况下都符合需求，因为它仅需极少的外部器件，并简化了设计；不过，当需要隔离时，这会带来难题。USB线路必须自动在主动驱动D+/D−、接收数据与允许外部电阻设置总线空闲状态之间切换。ADuM4160结构既可以检测数据流向，同时能够控制输出缓冲的状态。数据流向根据一个个分组确定。ADuM4160将基于边沿检测的iCoupler技术与内部逻辑结合使用，可实现透明、易于配置、面对上游的端口隔离器。隔离上游端口具有电路简单、电源管理和操作稳健等多种优势。这款隔离器的传播延迟与标准集线器和电缆的传播延迟相当。它可以采用任一侧的3.1 V至5.5 V电源电压供电，并能在内部将该电压调节至信号电平，从而与VBUS直接相连。ADuM4160对上拉电阻进行隔离控制，以便外设能控制连接时序。该器件的空闲电流较低；需要挂起模式。

优势特点：

完全兼容USB 2.0

低速和全速数据速率：1.5 Mbps和12 Mbps

双向通信

xD+和xD−线路短路保护功能

3.3 V和5 V（双模电源配置） - 欲了解更多信息，请参考数据手册。

3A类接触式ESD性能，符合ANSI/ESD STM5.1-2007标准

工作温度最高可达105°C

高共模瞬变抗扰度：>25 kV/μs

应用：

USB外设隔离

隔离式USB集线器

审核编辑：汤梓红