USB 電源和數據隔離技術和解決方案

作者：Doug Peters

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

然而，在使用或設計連接到 PC USB 端口的 USB 設備時，卻隱藏著一個潛在的危險。雖然被測設備（DUT） 可能由浮動電源供電，但一旦插入接地的PC，就可能出現接地回路。因此，可能會產生嚴重的地電勢差，造成電路損壞，甚至更嚴重的人身傷害。

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

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

什么是電隔離？

電隔離的核心是防止兩個或多個獨立電路之間的電流流動或傳導，同時仍然允許能量和/或信息在它們之間傳遞。

為簡化起見，本文將重點介紹兩個獨立的電路，稱為初級側和次級側。初級電路采用 USB 供電，與主機 PC
共享雙向數據流。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電材料將兩個電路分開（圖 1）。

隔離式數據傳輸

如上所述，電隔離允許在分離的電路之間進行數據或信息傳輸。但是，如果在電路之間沒有某種導電材料，怎么能實現這種傳輸呢？這個問題有幾種切實可行的解決方案，包括光學、電容和電磁技術。如下文所述，這些方法各有優(yōu)缺點。對于設計人員來說，在決定使用哪種技術時，數據速率、靜電放電
（ESD）、干擾和功率要求等因素都考慮清楚。

光學：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使用發(fā)光二極管 （LED），次級側使用光敏晶體管來實現隔離。OnSemiconductor 的 FOD817 就是一個很好的光隔離器實例（圖 2）。數據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 LED 亮起時，光電二極管將在次級電路中產生電流。

鑒于是用光來傳輸數據的，因此光隔離器不容易受到電磁干擾 （EMI）。不利的是，數據傳輸速率可能很慢，因為數據速率是 LED的開關速度的函數。另外，與其他技術相比，由于 LED 會隨著時間的推移而退化，光隔離器的壽命往往較短。

FOD817 是一個單通道器件，可額定承受最高 5 千伏 （kV） 交流電壓一分鐘。它包括一個砷化鎵 （GaAs） 紅外 （IR）LED，可驅動一個硅光電晶體管。應用范圍可包括電源穩(wěn)壓器和數字邏輯輸入。

電磁隔離：這也許是最古老的電路隔離技術方法。電磁感應的基本原理可用來在兩個線圈之間傳輸數據（以及電力，后面會討論）。隨著時間的推移，像 AnalogDevices 這樣的公司通過其 iCoupler 技術大大增強了這種方法的可靠性。iCoupler技術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，而且它們會產生自身潛在的 EMI，在產品設計階段就可能需要解決這個問題。但其優(yōu)點是數據速率較高，可達到100 Mbs/s 以上，且功耗較低。

Analog Devices 的 ADuM1250 提供的就是這種技術的一個實例（圖 3）。該器件針對雙向 I2C數據隔離應用，如熱交換應用，其數據傳輸率高達 1 Mb/s，并符合 UL 1577 標準，額定承受 2500 Vrms 電壓一分鐘。在 5 伏供電電壓（VDD1和 VDD2）下，其初級側輸入電流 （IDD1） 為 2.8毫安 （mA），次級側電流 （IDD2） 為 2.7mA。請注意，ADuM1250 中的每個 I2C通道（時鐘和數據線路）需要兩個嵌入式變壓器來實現雙向功能。

通常情況下，數據在變壓器線圈之間使用邊沿過渡模式進行傳輸。使用一納秒的短脈沖來識別數據信號的前沿和后沿。器件中還內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現的隔離（圖 4）。由于電容技術的特點，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） 跨越電容器進行數據傳輸，就可以使用像開關鍵控 （OOK） 這樣的調制模式進行信息傳遞。高頻載波的存在可能構成 0 （LOW）數字輸出，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)點是數據傳輸速率高（100 Mb/s 或更高）且功耗低。缺點包括更容易受到電場干擾。

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

USB 電源隔離

仔細閱讀隔離組件規(guī)格書，設計人員很快就會發(fā)現隔離組件的每一側都需要單獨的電源：一個用于初級側，一個用于次級側（VCC1 和VCC2），每個電源都有各自的接地基準以保持隔離。

如果考慮中的設計有獨立的電源，初級側為 USB 5 伏，次級側為獨立的電池加接地，那么一切都令人滿意。但是，如果產品的設計采用單一電源，比如只有一個USB 5 伏輸入，那么次級隔離電壓供應如何提供？用一個 DC-DC 轉換器（或變壓器驅動器）和一個隔離變壓器就可以解決這個問題。DC-DC轉換器可用于升壓或降壓，而變壓器則提供電隔離。

圖 6 所示就是一個采用隔離電源的例子，使用了 Texas Instruments SN6505 驅動器與 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標準輸入，通?？梢蕴峁┳銐蚨嗟墓β蕘眚寗佑糜跀祿鬏數拇渭墏雀綦x電路，以及可能的其他電路，如傳感器。次級電路側的兩個二極管對輸出進行整流。許多設計在次級側增加了一個低壓差（LDO） 穩(wěn)壓器，以實現更純凈的電壓調節(jié)。

另外一個可能對設計人員很重要的標準是：印刷電路板 （PCB）的可用空間。使用單獨的元器件進行電源和數據隔離會占用電路板上寶貴的空間。好消息是，有一些設備將電源和數據傳輸隔離結合到一個單一封裝中。一個采用這種拓撲結構的例子是Analog Devices 的 ADuM5240 雙通道數字隔離器（圖 7）。

ADuM5240 采用基于變壓器的磁隔離，將電源和數據傳輸都放在一個單一封裝中，以降低整個 PC 板的面積要求。ADuM5240 按照 UL 1577標準要求，提供 2500 Vrms 1 分鐘隔離能力，數據速率高達 1 Mb/s。

上移 USB 數據隔離

以上所有的例子都是假設在初級和次級電路之間進行隔離。在已經有外設設計沒有數據隔離硬件的情況下，設計人員可以在 USB接口處（即：電纜處）進行隔離。這就有效地將數據隔離推至上游的 USB 主機和 USB 外設之間（圖8）。

為了實現這種方法，設計人員可以使用 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，但隔離的對象是 USB 數據接口（D+ 和 D-）（圖 9）。ADum4160的其他應用包括隔離式 USB 集線器和醫(yī)療設備。

隔離的設計考慮因素

設計人員如何選擇最佳的隔離技術？如上所述，在選擇適合當前工作的技術時，有多種因素在起作用。表 1顯示了不同類型隔離技術中的一些設計標準。與任何設計一樣，必須仔細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行原型設計是必不可少的步驟。

除了表 1 中定義的因素外，在開發(fā)基于 USB的隔離外設時還必須考慮其他因素。例如，必須計算次級電路所需的總功率預算。必須將足夠的功率從初級側傳輸到隔離的次級電路，因為不僅隔離元件需要耗電，而且任何其他設備（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，則在輻射測試時必須考慮變壓器產生的潛在 EMI，及其對其他電路的 EMI 影響。

結語

USB 在數據傳輸速率和電源傳輸能力方面持續(xù)增長。然而，在設計具有 USB電源和/或數據接口的產品時，謹慎的做法是，將數據和電源電路的電隔離作為首要考慮因素。

為了實現電隔離，設計人員可以在考慮數據傳輸速率和 EMI以及電源和電路板空間要求等多個標準后，在光學、電容和電磁方法之間進行選擇。無論選擇哪種方法，都有很多解決方案可以幫助設計人員確保電路的完整性以及設計人員和終端用戶的安全。