如果用標準 USB (通用串行總線(xiàn)) 電纜將臺式 PC 連接到工業(yè)設備或醫療設備，可能立刻就會(huì )得到一個(gè)昂貴的教訓。PC 和所連接的設備很有可能連到了地電位不同的插座上。因此 PC 與設備連接后，USB 電纜可能在這兩臺設備之間提供了一個(gè)較低阻抗的接地通路，從而使 USB 電源通路上的所有組件都被燒毀。如果用 USB 電源供電的設備 (例如便攜式掃描儀) 取代 PC，那么你的困境可能是，面對著(zhù)一個(gè)無(wú)法提供充足功率的 USB 端口。也許更令人沮喪的是，你知道所有設備都是安全連接的，而且供電方式正確，但是電氣噪聲的環(huán)境卻使通信出現了故障。

USB 標準是上世紀 90 年代中期制定的，制定時(shí)從未考慮用在有噪聲的環(huán)境中。USB 本打算用來(lái)在相對安靜的家庭或辦公環(huán)境中，通過(guò)短距離將低功率外設連接至 PC。而今天，USB 由于速度和易用性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)變得廣受歡迎了，設計師依靠 USB 連接電腦與眾多定制外設，在這種情況下，顯然在某些應用中需要隔離，尤其是在醫療和工業(yè)領(lǐng)域。市場(chǎng)上已有隔離式 USB 收發(fā)器，但是這些解決方案不包括隔離式電源和無(wú)源組件，因此形成了較大和比較復雜的設計。一種更加簡(jiǎn)練的解決方案是凌力爾特公司的 LTM2884 隔離式 USB 收發(fā)器和電源，該器件極大地簡(jiǎn)化了任何隔離式 USB 2.0 集線(xiàn)器或外設設計，為用于嚴苛環(huán)境做好了準備。

芯片級隔離與電源

電氣隔離用在各種行業(yè)中，最常見(jiàn)的是提供安全保護，防止潛在破壞性很大的電壓導致設備損壞。隔離還用來(lái)消除噪聲和接地環(huán)路產(chǎn)生的共模電壓差的影響，或者用作不同工作電壓之間的電平移位器。一般情況下，要建立一個(gè)隔離式系統，除了隔離勢壘組件本身，在隔離勢壘兩側還需要若干無(wú)源和有源組件。隔離勢壘組件是出了名的難用，顯著(zhù)增加了隔離式系統的設計時(shí)間和成本�？紤]到這一點(diǎn)，凌力爾特公司開(kāi)發(fā)了微型模塊 (μModule^®) 隔離器系列，該系列隔離器將隔離式系統的設計減少為僅需插入一個(gè)模塊，無(wú)需任何復雜的隔離勢壘組件。實(shí)際上，μModule 隔離器根本無(wú)需外部組件。如圖 1 所示，LTM2884 USB μModule 隔離器提供 2500V_RMS 電氣隔離，在一個(gè) 15mm x 15mm x 5mm 表面貼裝 BGA 封裝中，集成了一個(gè) USB 2.0 收發(fā)器、一個(gè)無(wú)光耦合器的反激式轉換器、幾個(gè)超低靜態(tài)電流 LDO 和所有需要的無(wú)源組件。

圖 1：帶隔離電源的 LTM2884 隔離式 USB 收發(fā)器

與該系列中的其他μModule 隔離器一樣，LTM2884 采用電感耦合線(xiàn)圈或無(wú)磁芯變壓器以穿越 2500V_RMS 隔離勢壘傳遞數據，而專(zhuān)用 IC 則負責為兩個(gè) USB 通道和兩個(gè)數據方向執行數據傳輸和接收功能。隔離勢壘任一側的 USB 信號被編碼為脈沖，并使用差分信號傳輸通過(guò)在 μModule 襯底中形成的無(wú)磁芯變壓器橫跨隔離邊界進(jìn)行轉換。該系統備有數據刷新、差錯校驗、故障安全停機和可承受極高的共模，為雙向信號隔離提供了一款堅固型解決方案。

LTM2884 中的隔離電源是采用更加傳統的方法產(chǎn)生的。電源是從一個(gè)具原邊電壓檢測調節功能的邊界模式反激轉換器獲得的。這種整體電源拓撲提供了一款簡(jiǎn)單、靈活，容錯和相對高效的設計 (效率約為 65%)。LTM2884 具有兩個(gè)用于為內置 USB 收發(fā)器和 DC/DC 轉換器供電的分離輸入。USB 收發(fā)器從一個(gè) 4.4V 至 16.5V 總線(xiàn)或外部電源接收功率。DC/DC 轉換器也從相同的電源接收功率；如果連接至 5V 總線(xiàn)，則隔離式外設能夠利用高達 1W (200mA/5V) 的隔離電源；否則，當連接至一個(gè)高于 8.6V 的外部電源時(shí)則可為外設提供 2.5W (500mA/5V) 功率!

簡(jiǎn)化堅固的設計

LTM2884 與 USB 2.0 全速 (12Mbps) 和低速 (1.5Mbps) 運行模式兼容。參見(jiàn)圖 2，LTM2884 檢測下游端口所連接的 USB 設備的速度，然后設定它自己內部上游端口的上拉電阻器，以與該速度匹配。集成的下拉電阻器也支持下游總線(xiàn)配置。LTM2884 通過(guò)監視下游空閑狀態(tài)并以恒定速率刷新跨隔離勢壘的狀態(tài)，保持 USB 總線(xiàn)的空閑狀態(tài)。如果上游端口空閑時(shí)間超過(guò) 3ms，那么 LTM2884 就可以進(jìn)入暫停模式，以使該器件本身的功耗降至 500µA 以下。這種自動(dòng)速度選擇功能無(wú)需設定跨接線(xiàn)或配置軟件，從而實(shí)現了真正的即插即用式設計。

圖 2：LTM2884 自動(dòng)選擇內部上游上拉電阻器以與下游速度匹配

盡管隔離可以保護設備免受地電位差損害，但是還需要其他保護機制來(lái)抵御有噪聲環(huán)境中常見(jiàn)的噪聲、瞬變和浪涌。電氣隔離的主要好處之一是，隔離勢壘能夠擋住高電壓，從而無(wú)需其他保護器件，例如笨重的瞬變電壓抑制器 (MOV、TVS 等)。LTM2884 不僅能夠輕松承受 2500V_RMS (3500V_PEAK) 長(cháng)達 1 分鐘，而且能夠在連至本地電源的 USB 引腳上承受 ±15kV HBM (人體模型) ESD 以及能夠通過(guò)連至電源的隔離勢壘承受 ±15kV HBM。高 ESD 額定值歸功于仔細設計的高性能隔離勢壘，該額定值還支持 30kV/us (典型值為 50kV/µs) 的最低共模瞬變速率，并允許 LTM2884 獨特地通過(guò)瞬變事件無(wú)差錯工作，同時(shí)發(fā)送 USB 數據。

LTM2884 對于 RF 和磁場(chǎng)擁有強大的承受能力，而且對相鄰組件也沒(méi)有影響，不產(chǎn)生高 EMI (電磁干擾)。LTM2884 中采用的 µModule 隔離器技術(shù)已經(jīng)過(guò)獨立機構評估，在測試中成功達到了歐洲標準 EN 55024 對 RF 和磁場(chǎng)承受能力的要求，這按照 EN 61000-4-3 測試標準要求。此外，設計和布局方法還允許 LTM2884 最大限度地減小 EMI，使其達到遠低于 CISPR 22 Class B 限制的水平，從而無(wú)需采用復雜的 EMI 屏蔽和抑制技術(shù)。

隔離式 USB 應用

當隔離 USB 端口時(shí)，沒(méi)有太多電路配置工作。如 LTM2884 之類(lèi)的隔離組件既可以放置在外設的輸入端，與 USB 電纜 (中繼器) 串聯(lián)，也可以放置在集線(xiàn)器 / 主機的輸出端。憑借上述特點(diǎn)，無(wú)論哪種最終應用或細分市場(chǎng)，LTM2884 幾乎適合于任何 USB 設備。該µModule 的占板面積為 225mm²，所需電路板空間最小，同時(shí)幾乎所有電氣規格都經(jīng)過(guò)測試，并保證工作在 -40°C 至 105°C 的工作溫度范圍。UL 1577 組件級認證正在進(jìn)行中，而且 LTM2884 滿(mǎn)足醫療安全標準 IEC 60601-1 的所有要求，極少數要求 A.C. 測試電壓高于 2500kV_RMS 的雙 MOOP (操作者保護方法) 和雙 MOPP (患者保護方法) 測試除外。除此以外，LTM2884 的引腳間隔 (爬電距離和電氣間隙) 大于 9mm，通過(guò)絕緣針對數據提供 100µm 距離，針對電源提供 114µm 距離，這些與安全有關(guān)的參數將有助于 USB 系統滿(mǎn)足各種不同設備級標準的要求。

LTM2884 適用范圍如此廣泛，因此在該器件公開(kāi)發(fā)布之前，凌力爾特公司就已經(jīng)發(fā)現怎樣將該器件應用于多種設計中了。圖 3 顯示，LTM2884 是凌力爾特 LTP2884 USB 串聯(lián)隔離器的核心，該串聯(lián)隔離器是一款完整的獨立器件，用作一個(gè)完整的參考設計，還可以作為一個(gè)獨立器件購買(mǎi)，以便能夠在工作環(huán)境中快速部署 USB 隔離。LTP2884 采用堅固的小型封裝，提供 LTM2884 的所有好處，具備 ±20kV ESD 保護、LED 狀態(tài)和報警指示器、以及耐用的 USB 連接器。當然，不需要驅動(dòng)器和軟件，即插即用！

圖 3：基于 LTM2884 的 LTP2884 USB 串聯(lián)隔離器

LTM2884 也已用于凌力爾特的 DC2026 Linduino One 隔離式 Arduino 兼容演示電路板。Linduino 與流行的 Arduino Uno 開(kāi)源電子產(chǎn)品原型生成平臺兼容，所采用的 Arduino 硬件由一個(gè) Atmel 微控制器和一個(gè)自導程序組成，允許在電路內部快速進(jìn)行固件更新。該軟件是一種基于 AVRGCC 編譯器的簡(jiǎn)單 C 語(yǔ)言編程環(huán)境。凌力爾特運用 Linduino 為具備 I²C 或 SPI 等數字接口的 IC 演示和分配固件庫。LTM2884 斷開(kāi)地至 PC 的連接，允許連接至 Linduino 的設備之地電位與控制 Linduino 的電腦之地電位不同。

結論

需要隔離的 USB 應用的數量仍然在增加，尤其是出于安全性和可靠性原因，在工業(yè)和醫療行業(yè)增加顯著(zhù)。LTM2884 很有吸引力，因為它與較老的分立式解決方案相比，具有明顯優(yōu)勢，例如采用小型封裝提供數據加電源隔離。2500V_RMS 的電氣隔離、自動(dòng)速度選擇、出色的共模抑制、高 ESD 和低 EMI 均有助于加速可靠的設計。此外，由于無(wú)需包括如電源去耦電容器等的外部組件，因此會(huì )受到如 LTP2884 或 DC2026 等很多空間受限 USB 應用的歡迎。像 LTM2884 這樣的高集成度器件早就該有了……既然現在已經(jīng)有了，就讓 USB 在最嚴苛的環(huán)境中枝繁葉茂地應用吧!