USB 电源和数据隔离技术和解决方案

1996 年推出的通用串行总线 (USB) 已成为连接外设和 PC 的主要方法。在过去 24 年里，USB 数据速率从每秒 1.5 兆比特 (Mb/s) 提高到超过每秒 20 千兆比特 (Gb/s)，特别是测试与计量设备制造商已经注意到了这一点，并纷纷推出了基于 USB 的测试设备。电子爱好者们也在利用 USB 无处不在的优势，开发出了许多自己独特的测量工具。

然而，在使用或设计连接到 PC USB 端口的 USB 设备时，却隐藏着一个潜在的危险。虽然被测设备 (DUT) 可能由浮动电源供电，但一旦插入接地的 PC，就可能出现接地回路。因此，可能会产生严重的地电势差，造成电路损坏，甚至更严重的人身伤害。

为了杜绝接地回路连接，电源和数据通信路径都需要与 PC 的 USB 接地进行电隔离。根据数据速率和协议，有几种隔离数据通信的选择。此外，可以部署多种隔离策略，包括电容式、光学式和电磁式。

本文在介绍多种不同 USB 隔离技术和每种技术的优缺点之前，先对电隔离进行了定义。然后介绍了来自 Texas Instruments、Würth Electronik、ON Semiconductor 和 Analog Devices 的实际隔离解决方案，并展示如何有效地应用它们。

什么是电隔离？

电隔离的核心是防止两个或多个独立电路之间的电流流动或传导，同时仍然允许能量和/或信息在它们之间传递。

为简化起见，本文将重点介绍两个独立的电路，称为初级侧和次级侧。初级电路采用 USB 供电，与主机 PC 共享双向数据流。分隔电路的区域称为隔离栅，选择隔离栅的目的是为了承受几百到几千伏的击穿电压。通常，可用空气、二氧化硅 (_SiO2)、聚酰亚胺或其他不导电材料将两个电路分开（图 1）。

图 1：所示为电路初级侧 USB 输入与次级侧之间的电隔离实例。隔离栅需要承受数百至数千伏的电压。（图片来源：DigiKey）

隔离式数据传输

如上所述，电隔离允许在分离的电路之间进行数据或信息传输。但是，如果在电路之间没有某种导电材料，怎么能实现这种传输呢？这个问题有几种切实可行的解决方案，包括光学、电容和电磁技术。如下文所述，这些方法各有优缺点。对于设计人员来说，在决定使用哪种技术时，数据速率、静电放电 (ESD)、干扰和功率要求等因素都考虑清楚。

光学：最有名的隔离方法之一是光隔离器或光耦合器。通过在隔离栅的初级侧使用发光二极管 (LED)，次级侧使用光敏晶体管来实现隔离。On Semiconductor 的 FOD817 就是一个很好的光隔离器实例（图 2）。数据利用光脉冲越过隔离栅从 LED 发射出去，然后由采用开集配置的光电晶体管接收。当 LED 亮起时，光电二极管将在次级电路中产生电流。

鉴于是用光来传输数据的，因此光隔离器不容易受到电磁干扰 (EMI)。不利的是，数据传输速率可能很慢，因为数据速率是 LED 的开关速度的函数。另外，与其他技术相比，由于 LED 会随着时间的推移而退化，光隔离器的寿命往往较短。

图 2：光隔离器——LED 发出的光脉冲通过隔离栅，被光电二极管接收，然后在次级电路中产生电流。（图片来源：ON Semiconductor）

FOD817 是一个单通道器件，可额定承受最高 5 千伏 (kV) 交流电压一分钟。它包括一个砷化镓 (GaAs) 红外 (IR) LED，可驱动一个硅光电晶体管。应用范围可包括电源稳压器和数字逻辑输入。

电磁隔离：这也许是最古老的电路隔离技术方法。电磁感应的基本原理可用来在两个线圈之间传输数据（以及电力，后面会讨论）。随着时间的推移，像 Analog Devices 这样的公司通过其 iCoupler 技术大大增强了这种方法的可靠性。iCoupler 技术将变压器线圈嵌入集成电路，并使用聚酰亚胺基片作为隔离栅。

与光隔离器相比，电磁隔离方法更容易受到磁场干扰，而且它们会产生自身潜在的 EMI，在产品设计阶段就可能需要解决这个问题。但其优点是数据速率较高，可达到 100 Mbs/s 以上，且功耗较低。

Analog Devices 的 ADuM1250 提供的就是这种技术的一个实例（图 3）。该器件针对双向 I²C 数据隔离应用，如热交换应用，其数据传输率高达 1 Mb/s，并符合 UL 1577 标准，额定承受 2500 Vrms 电压一分钟。在 5 伏供电电压（VDD1 和 VDD2）下，其初级侧输入电流 (IDD1) 为 2.8毫安 (mA)，次级侧电流 (IDD2) 为 2.7mA。请注意，ADuM1250 中的每个 I²C 通道（时钟和数据线路）需要两个嵌入式变压器来实现双向功能。

通常情况下，数据在变压器线圈之间使用边沿过渡模式进行传输。使用一纳秒的短脉冲来识别数据信号的前沿和后沿。器件中还内置了编码和解码硬件。

图 3：在 ADuM1250 双通道 I²C 隔离器上，每条 I²C 线路都需要两个不同的变压器来实现双向数据和时钟传输。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

电容隔离：顾名思义，电容隔离就是通过使用电容器来实现的隔离（图 4）。由于电容技术的特点，直流电压被电容阻断，而交流电压却可以自由通过。

图 4：电容隔离利用电容特性阻断直流信号，允许交流信号通过隔离栅。（图片来源：Texas Instruments）

通过使用高频载波 (AC) 跨越电容器进行数据传输，就可以使用像开关键控 (OOK) 这样的调制模式进行信息传递。高频载波的存在可能构成 0 (LOW) 数字输出，载波的不存在则表示 1 (HIGH)（图 5）。

图 5：开关键控 (OOK) 方案利用通过隔离栅传递的高频载波 (AC) 信号的存在或不存在来传输逻辑电平 HIGH 或 LOW 信号。（图片来源：Texas Instruments）

与磁性隔离一样，电容隔离的优点是数据传输速率高（100 Mb/s 或更高）且功耗低。缺点包括更容易受到电场干扰。

电容隔离技术的一个很好的例子是 Texas Instruments 的 ISO7742 四通道数字隔离器，其隔离能力最高 5000 Vrms。根据所需的数据流方向的不同，该器件提供了多种配置选择。其数据速率为 100 Mb/s，每通道消耗 1.5 mA 电流。ISO7742 的应用包括医疗设备、电源和工业自动化。

USB 电源隔离

仔细阅读隔离组件规格书，设计人员很快就会发现隔离组件的每一侧都需要单独的电源：一个用于初级侧，一个用于次级侧（VCC1 和 VCC2），每个电源都有各自的接地基准以保持隔离。

如果考虑中的设计有独立的电源，初级侧为 USB 5 伏，次级侧为独立的电池加接地，那么一切都令人满意。但是，如果产品的设计采用单一电源，比如只有一个 USB 5 伏输入，那么次级隔离电压供应如何提供？用一个 DC-DC 转换器（或变压器驱动器）和一个隔离变压器就可以解决这个问题。DC-DC 转换器可用于升压或降压，而变压器则提供电隔离。

图 6 所示就是一个采用隔离电源的例子，使用了 Texas Instruments SN6505 驱动器与 Würth Elektronik 750315371 隔离变压器（2500 Vrms 隔离）的组合。对 SN6505 使用 5 伏和 500 mA 的 USB 标准输入，通常可以提供足够多的功率来驱动用于数据传输的次级侧隔离电路，以及可能的其他电路，如传感器。次级电路侧的两个二极管对输出进行整流。许多设计在次级侧增加了一个低压差 (LDO) 稳压器，以实现更纯净的电压调节。

图 6：Texas Instruments SN6505 变压器驱动器与 Würth Elektronik 750315371 隔离变压器组合在一起，为驱动次级侧电路提供了一个隔离的电源路径。（图片来源：Texas Instruments）

另外一个可能对设计人员很重要的标准是：印刷电路板 (PCB) 的可用空间。使用单独的元器件进行电源和数据隔离会占用电路板上宝贵的空间。好消息是，有一些设备将电源和数据传输隔离结合到一个单一封装中。一个采用这种拓扑结构的例子是 Analog Devices 的 ADuM5240 双通道数字隔离器（图 7）。

图 7.Analog Devices 的 ADuM5240 双通道数字隔离器将电源和数据隔离组合在一个器件中，以节省空间。（图片来源：Analog Devices）

ADuM5240 采用基于变压器的磁隔离，将电源和数据传输都放在一个单一封装中，以降低整个 PC 板的面积要求。ADuM5240 按照 UL 1577 标准要求，提供 2500 Vrms 1 分钟隔离能力，数据速率高达 1 Mb/s。

上移 USB 数据隔离

以上所有的例子都是假设在初级和次级电路之间进行隔离。在已经有外设设计没有数据隔离硬件的情况下，设计人员可以在 USB 接口处（即：电缆处）进行隔离。这就有效地将数据隔离推至上游的 USB 主机和 USB 外设之间（图 8）。

图 8：如果已经存在设计中没有数据隔离硬件的外设，设计人员仍然可以通过将 USB 数据隔离移到上游，在 USB 主机和 USB 外设之间提供保护。（图片来源：DigiKey）

为了实现这种方法，设计人员可以使用 Analog Device 的 ADuM4160，其额定隔离能力为 5000 Vrms 1分钟。该解决方案使用了上面讨论的相同的 iCoupler 技术，但隔离的对象是 USB 数据接口（D+ 和 D-）（图 9）。ADum4160 的其他应用包括隔离式 USB 集线器和医疗设备。

图 9：Analog Devices ADuM4160 提供了一种 USB 数据线路 (D+, D-) 隔离解决方案，当需要在 USB 主机到外设电缆连接处提供隔离的情况下，这种解决方案非常有用。（图片来源：Analog Devices）

隔离的设计考虑因素

设计人员如何选择最佳的隔离技术？如上所述，在选择适合当前工作的技术时，有多种因素在起作用。表 1 显示了不同类型隔离技术中的一些设计标准。与任何设计一样，必须仔细研究才能充分了解所使用的元器件。从头至尾详情阅读规格书和使用选定元器件进行原型设计是必不可少的步骤。

表 1：在选择隔离方式时，有一些关键因素需要考虑，但关键是设计人员要仔细研究规格书，并使用所选元器件进行原型设计。（数据来源：DigiKey）

除了表 1 中定义的因素外，在开发基于 USB 的隔离外设时还必须考虑其他因素。例如，必须计算次级电路所需的总功率预算。必须将足够的功率从初级侧传输到隔离的次级电路，因为不仅隔离元件需要耗电，而且任何其他设备（如传感器、LED 和逻辑元件）都需要提供必要的功率。

此外，如上所述，如果使用电磁隔离解决方案，则在辐射测试时必须考虑变压器产生的潜在 EMI，及其对其他电路的 EMI 影响。

结语

USB 在数据传输速率和电源传输能力方面持续增长。然而，在设计具有 USB 电源和/或数据接口的产品时，谨慎的做法是，将数据和电源电路的电隔离作为首要考虑因素。

为了实现电隔离，设计人员可以在考虑数据传输速率和 EMI 以及电源和电路板空间要求等多个标准后，在光学、电容和电磁方法之间进行选择。无论选择哪种方法，都有很多解决方案可以帮助设计人员确保电路的完整性以及设计人员和终端用户的安全。