USB 電源和數(shù)據(jù)隔離技術(shù)和解決方案

作者：Doug Peters

1996 年推出的通用串行總線 （USB） 已成為連接外設(shè)和 PC 的主要方法。在過去 24 年里，USB 數(shù)據(jù)速率從每秒 1.5 兆比特 （Mb/s）提高到超過每秒 20 千兆比特 （Gb/s），特別是測試與計(jì)量設(shè)備制造商已經(jīng)注意到了這一點(diǎn)，并紛紛推出了基于 USB 的測試設(shè)備。電子愛好者們也在利用 USB無處不在的優(yōu)勢，開發(fā)出了許多自己獨(dú)特的測量工具。

然而，在使用或設(shè)計(jì)連接到 PC USB 端口的 USB 設(shè)備時(shí)，卻隱藏著一個(gè)潛在的危險(xiǎn)。雖然被測設(shè)備（DUT） 可能由浮動(dòng)電源供電，但一旦插入接地的PC，就可能出現(xiàn)接地回路。因此，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的地電勢差，造成電路損壞，甚至更嚴(yán)重的人身傷害。

為了杜絕接地回路連接，電源和數(shù)據(jù)通信路徑都需要與 PC 的 USB接地進(jìn)行電隔離。根據(jù)數(shù)據(jù)速率和協(xié)議，有幾種隔離數(shù)據(jù)通信的選擇。此外，可以部署多種隔離策略，包括電容式、光學(xué)式和電磁式。

本文在介紹多種不同 USB 隔離技術(shù)和每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)之前，先對電隔離進(jìn)行了定義。然后介紹了來自 Texas Instruments、Würth Electronik、ON Semiconductor 和 Analog Devices 的實(shí)際隔離解決方案，并展示如何有效地應(yīng)用它們。

什么是電隔離？

電隔離的核心是防止兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立電路之間的電流流動(dòng)或傳導(dǎo)，同時(shí)仍然允許能量和/或信息在它們之間傳遞。

為簡化起見，本文將重點(diǎn)介紹兩個(gè)獨(dú)立的電路，稱為初級側(cè)和次級側(cè)。初級電路采用 USB 供電，與主機(jī) PC
共享雙向數(shù)據(jù)流。分隔電路的區(qū)域稱為隔離柵，選擇隔離柵的目的是為了承受幾百到幾千伏的擊穿電壓。通常，可用空氣、二氧化硅（SiO2）、聚酰亞胺或其他不導(dǎo)電材料將兩個(gè)電路分開（圖 1）。

隔離式數(shù)據(jù)傳輸

如上所述，電隔離允許在分離的電路之間進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息傳輸。但是，如果在電路之間沒有某種導(dǎo)電材料，怎么能實(shí)現(xiàn)這種傳輸呢？這個(gè)問題有幾種切實(shí)可行的解決方案，包括光學(xué)、電容和電磁技術(shù)。如下文所述，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于設(shè)計(jì)人員來說，在決定使用哪種技術(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)速率、靜電放電
（ESD）、干擾和功率要求等因素都考慮清楚。

光學(xué)：最有名的隔離方法之一是光隔離器或光耦合器。通過在隔離柵的初級側(cè)使用發(fā)光二極管 （LED），次級側(cè)使用光敏晶體管來實(shí)現(xiàn)隔離。OnSemiconductor 的 FOD817 就是一個(gè)很好的光隔離器實(shí)例（圖 2）。數(shù)據(jù)利用光脈沖越過隔離柵從 LED發(fā)射出去，然后由采用開集配置的光電晶體管接收。當(dāng) LED 亮起時(shí)，光電二極管將在次級電路中產(chǎn)生電流。

鑒于是用光來傳輸數(shù)據(jù)的，因此光隔離器不容易受到電磁干擾 （EMI）。不利的是，數(shù)據(jù)傳輸速率可能很慢，因?yàn)閿?shù)據(jù)速率是 LED的開關(guān)速度的函數(shù)。另外，與其他技術(shù)相比，由于 LED 會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，光隔離器的壽命往往較短。

FOD817 是一個(gè)單通道器件，可額定承受最高 5 千伏 （kV） 交流電壓一分鐘。它包括一個(gè)砷化鎵 （GaAs） 紅外 （IR）LED，可驅(qū)動(dòng)一個(gè)硅光電晶體管。應(yīng)用范圍可包括電源穩(wěn)壓器和數(shù)字邏輯輸入。

電磁隔離：這也許是最古老的電路隔離技術(shù)方法。電磁感應(yīng)的基本原理可用來在兩個(gè)線圈之間傳輸數(shù)據(jù)（以及電力，后面會(huì)討論）。隨著時(shí)間的推移，像 AnalogDevices 這樣的公司通過其 iCoupler 技術(shù)大大增強(qiáng)了這種方法的可靠性。iCoupler技術(shù)將變壓器線圈嵌入集成電路，并使用聚酰亞胺基片作為隔離柵。

與光隔離器相比，電磁隔離方法更容易受到磁場干擾，而且它們會(huì)產(chǎn)生自身潛在的 EMI，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可能需要解決這個(gè)問題。但其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)速率較高，可達(dá)到100 Mbs/s 以上，且功耗較低。

Analog Devices 的 ADuM1250 提供的就是這種技術(shù)的一個(gè)實(shí)例（圖 3）。該器件針對雙向 I2C數(shù)據(jù)隔離應(yīng)用，如熱交換應(yīng)用，其數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 1 Mb/s，并符合 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)，額定承受 2500 Vrms 電壓一分鐘。在 5 伏供電電壓（VDD1和 VDD2）下，其初級側(cè)輸入電流 （IDD1） 為 2.8毫安 （mA），次級側(cè)電流 （IDD2） 為 2.7mA。請注意，ADuM1250 中的每個(gè) I2C通道（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線路）需要兩個(gè)嵌入式變壓器來實(shí)現(xiàn)雙向功能。

通常情況下，數(shù)據(jù)在變壓器線圈之間使用邊沿過渡模式進(jìn)行傳輸。使用一納秒的短脈沖來識(shí)別數(shù)據(jù)信號的前沿和后沿。器件中還內(nèi)置了編碼和解碼硬件。

電容隔離：顧名思義，電容隔離就是通過使用電容器來實(shí)現(xiàn)的隔離（圖 4）。由于電容技術(shù)的特點(diǎn)，直流電壓被電容阻斷，而交流電壓卻可以自由通過。

通過使用高頻載波 （AC） 跨越電容器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就可以使用像開關(guān)鍵控 （OOK） 這樣的調(diào)制模式進(jìn)行信息傳遞。高頻載波的存在可能構(gòu)成 0 （LOW）數(shù)字輸出，載波的不存在則表示 1 （HIGH）（圖 5）。

與磁性隔離一樣，電容隔離的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高（100 Mb/s 或更高）且功耗低。缺點(diǎn)包括更容易受到電場干擾。

電容隔離技術(shù)的一個(gè)很好的例子是 Texas Instruments 的 ISO7742 四通道數(shù)字隔離器，其隔離能力最高 5000
Vrms。根據(jù)所需的數(shù)據(jù)流方向的不同，該器件提供了多種配置選擇。其數(shù)據(jù)速率為 100 Mb/s，每通道消耗 1.5 mA 電流。ISO7742
的應(yīng)用包括醫(yī)療設(shè)備、電源和工業(yè)自動(dòng)化。

USB 電源隔離

仔細(xì)閱讀隔離組件規(guī)格書，設(shè)計(jì)人員很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)隔離組件的每一側(cè)都需要單獨(dú)的電源：一個(gè)用于初級側(cè)，一個(gè)用于次級側(cè)（VCC1 和VCC2），每個(gè)電源都有各自的接地基準(zhǔn)以保持隔離。

如果考慮中的設(shè)計(jì)有獨(dú)立的電源，初級側(cè)為 USB 5 伏，次級側(cè)為獨(dú)立的電池加接地，那么一切都令人滿意。但是，如果產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用單一電源，比如只有一個(gè)USB 5 伏輸入，那么次級隔離電壓供應(yīng)如何提供？用一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器（或變壓器驅(qū)動(dòng)器）和一個(gè)隔離變壓器就可以解決這個(gè)問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器可用于升壓或降壓，而變壓器則提供電隔離。

圖 6 所示就是一個(gè)采用隔離電源的例子，使用了 Texas Instruments SN6505 驅(qū)動(dòng)器與 Würth Elektronik
750315371 隔離變壓器（2500 Vrms 隔離）的組合。對 SN6505 使用 5 伏和 500 mA 的 USB標(biāo)準(zhǔn)輸入，通?？梢蕴峁┳銐蚨嗟墓β蕘眚?qū)動(dòng)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇渭墏?cè)隔離電路，以及可能的其他電路，如傳感器。次級電路側(cè)的兩個(gè)二極管對輸出進(jìn)行整流。許多設(shè)計(jì)在次級側(cè)增加了一個(gè)低壓差（LDO） 穩(wěn)壓器，以實(shí)現(xiàn)更純凈的電壓調(diào)節(jié)。

另外一個(gè)可能對設(shè)計(jì)人員很重要的標(biāo)準(zhǔn)是：印刷電路板 （PCB）的可用空間。使用單獨(dú)的元器件進(jìn)行電源和數(shù)據(jù)隔離會(huì)占用電路板上寶貴的空間。好消息是，有一些設(shè)備將電源和數(shù)據(jù)傳輸隔離結(jié)合到一個(gè)單一封裝中。一個(gè)采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的例子是Analog Devices 的 ADuM5240 雙通道數(shù)字隔離器（圖 7）。

ADuM5240 采用基于變壓器的磁隔離，將電源和數(shù)據(jù)傳輸都放在一個(gè)單一封裝中，以降低整個(gè) PC 板的面積要求。ADuM5240 按照 UL 1577標(biāo)準(zhǔn)要求，提供 2500 Vrms 1 分鐘隔離能力，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1 Mb/s。

上移 USB 數(shù)據(jù)隔離

以上所有的例子都是假設(shè)在初級和次級電路之間進(jìn)行隔離。在已經(jīng)有外設(shè)設(shè)計(jì)沒有數(shù)據(jù)隔離硬件的情況下，設(shè)計(jì)人員可以在 USB接口處（即：電纜處）進(jìn)行隔離。這就有效地將數(shù)據(jù)隔離推至上游的 USB 主機(jī)和 USB 外設(shè)之間（圖8）。

為了實(shí)現(xiàn)這種方法，設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Device 的 ADuM4160，其額定隔離能力為 5000 Vrms
1分鐘。該解決方案使用了上面討論的相同的 iCoupler 技術(shù)，但隔離的對象是 USB 數(shù)據(jù)接口（D+ 和 D-）（圖 9）。ADum4160的其他應(yīng)用包括隔離式 USB 集線器和醫(yī)療設(shè)備。

隔離的設(shè)計(jì)考慮因素

設(shè)計(jì)人員如何選擇最佳的隔離技術(shù)？如上所述，在選擇適合當(dāng)前工作的技術(shù)時(shí)，有多種因素在起作用。表 1顯示了不同類型隔離技術(shù)中的一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。與任何設(shè)計(jì)一樣，必須仔細(xì)研究才能充分了解所使用的元器件。從頭至尾詳情閱讀規(guī)格書和使用選定元器件進(jìn)行原型設(shè)計(jì)是必不可少的步驟。

除了表 1 中定義的因素外，在開發(fā)基于 USB的隔離外設(shè)時(shí)還必須考慮其他因素。例如，必須計(jì)算次級電路所需的總功率預(yù)算。必須將足夠的功率從初級側(cè)傳輸?shù)礁綦x的次級電路，因?yàn)椴粌H隔離元件需要耗電，而且任何其他設(shè)備（如傳感器、LED和邏輯元件）都需要提供必要的功率。

此外，如上所述，如果使用電磁隔離解決方案，則在輻射測試時(shí)必須考慮變壓器產(chǎn)生的潛在 EMI，及其對其他電路的 EMI 影響。

結(jié)語

USB 在數(shù)據(jù)傳輸速率和電源傳輸能力方面持續(xù)增長。然而，在設(shè)計(jì)具有 USB電源和/或數(shù)據(jù)接口的產(chǎn)品時(shí)，謹(jǐn)慎的做法是，將數(shù)據(jù)和電源電路的電隔離作為首要考慮因素。

為了實(shí)現(xiàn)電隔離，設(shè)計(jì)人員可以在考慮數(shù)據(jù)傳輸速率和 EMI以及電源和電路板空間要求等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后，在光學(xué)、電容和電磁方法之間進(jìn)行選擇。無論選擇哪種方法，都有很多解決方案可以幫助設(shè)計(jì)人員確保電路的完整性以及設(shè)計(jì)人員和終端用戶的安全。