作者：Maxim Integrated 高級(jí)技術(shù)作家 Michael Jackson 和 Maxim Integrated 工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部執(zhí)行業(yè)務(wù)經(jīng)理 Timothy Leung

通用串行總線 (USB) 最初設(shè)計(jì)用于將數(shù)據(jù)和電源傳輸?shù)竭B接到計(jì)算機(jī)的外部外圍設(shè)備。如今，它還用于傳輸數(shù)據(jù)并為眾多低功耗便攜式設(shè)備供電。USB 端口已迅速成為大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備上幾乎無(wú)處不在的功能，最近，它開(kāi)始出現(xiàn)在在高壓 (>20 V) 環(huán)境中運(yùn)行的商業(yè)和工業(yè)設(shè)備上（圖 1）。然而，高壓與低壓 USB 端口的接近對(duì)連接到端口本身的任何設(shè)備以及潛在的用戶(hù)都存在安全隱患。如果由于故障或其他原因，兩個(gè)電壓域接觸，結(jié)果可能很危險(xiǎn)

圖 1：在飛機(jī)上為手機(jī)充電。

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們將回顧保護(hù) USB 端口免受高壓影響的傳統(tǒng)方法以及這些方法對(duì)端口性能造成的限制。然后，我們提出了一種替代方法，該方法不會(huì)損害用戶(hù)或其連接設(shè)備的 USB 端口功能的安全性或速度。

USB評(píng)論

USB 是一種四線接口，用于將上游主機(jī)充電器連接到下游設(shè)備（圖 2）。V BUS (+5 VDC) 和 GND (0 V) 是電源引腳，而 D+ 和 D– 用于差分或單端數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包。每個(gè)幀都可以包含用于時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符、設(shè)備地址、數(shù)據(jù)有效負(fù)載和數(shù)據(jù)包結(jié)束序列的位。

圖 2：USB 引腳接口框圖。

使用各種不同外形尺寸的連接器以 1.5 Mbits/s（低速）、12 Mbits/s（全速）或 480 Mbps（高速）的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。A、B、mini-B 和 micro-B 型是最常見(jiàn)的連接器類(lèi)型。

USB 保護(hù)方法

USB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的控制由串行接口引擎 (SIE) 在電纜的每一端處理。這種專(zhuān)用控制器或較大控制器的子集通常包括處理 USB 協(xié)議的 USB 收發(fā)器硬件。

當(dāng)外圍設(shè)備首次連接到電纜時(shí)，SIE 會(huì)向主機(jī)提供配置信息和電源要求。在操作過(guò)程中，SIE 根據(jù)所需的傳輸速度格式化所有數(shù)據(jù)，并提供錯(cuò)誤檢查和故障處理。SIE 處理總線流控制并根據(jù)需要啟用或禁用線路驅(qū)動(dòng)器和接收器。主機(jī)啟動(dòng)所有事務(wù)，然后遵循主機(jī)和外圍設(shè)備之間的一系列數(shù)據(jù)交換。這包括有關(guān)數(shù)據(jù)何時(shí)損壞或可能發(fā)生的其他故障的規(guī)定。

用于USB數(shù)據(jù)通道保護(hù)的通用IC解決方案使用工藝隔離技術(shù)，以確保高壓設(shè)備和低壓設(shè)備之間不存在電流路徑。這涉及在控制器之間的位置使用隔離IC（圖3）。

圖3：USB控制器之間的隔離。

雖然這確保了USB端口可以繼續(xù)正常工作，即使暴露在高達(dá)5 kV的電壓下，但這種方法僅允許高達(dá)12 Mbits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

一些IC解決方案受到限制，因?yàn)樗鼈儍H提供上游保護(hù)（即，主機(jī)側(cè)受到保護(hù)，但下游設(shè)備不受保護(hù)）。此外，一些隔離IC保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸引腳（D+/D-），但不保護(hù)電源引腳（VBUS/GND）。可以使用分立元件構(gòu)造更小的定制USB保護(hù)電路。然而，由于需要許多組件，該解決方案非常復(fù)雜，同時(shí)仍允許僅以12 Mbit/s的速度傳輸數(shù)據(jù)。

無(wú)隔離保護(hù)

用于商業(yè)和工業(yè)設(shè)備的USB端口保護(hù)的替代集成解決方案如圖4所示。

圖4:MAX22505 USB保護(hù)解決方案。

MAX22505解決方案保護(hù)USB端口免受故障，同時(shí)允許數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480 Mbits/s。該設(shè)備確保USB端口在暴露于工業(yè)和商業(yè)環(huán)境中通常遇到的電壓水平（±24 VAC或±40 VDC）下時(shí)得到充分保護(hù)。如果出現(xiàn)布線故障，導(dǎo)致USB端口與高壓接觸，該IC通過(guò)有效“開(kāi)路”端口連接來(lái)響應(yīng)，從而保護(hù)上游主機(jī)和任何連接的下游設(shè)備。在故障解決之前，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

另一個(gè)好處是節(jié)省電路板空間。該解決方案僅需要120mm2的面積，與其他解決方案相比節(jié)省了20%至50%。此外，在發(fā)生故障時(shí)（電源為±50 VDC，數(shù)據(jù)為±40.7 V），所有USB端口引腳均受到保護(hù)，無(wú)需配置。

結(jié)論

雖然USB端口最初是低壓消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的一個(gè)常見(jiàn)功能，但它正越來(lái)越多地被用作高壓商用和工業(yè)設(shè)備的電源和數(shù)據(jù)傳輸接口。這對(duì)連接到此類(lèi)端口的外圍設(shè)備的用戶(hù)造成的潛在危險(xiǎn)意味著某種形式的保護(hù)至關(guān)重要。

當(dāng)前的USB端口保護(hù)方法主要關(guān)注端口隔離。然而，這需要注意的是，USB性能會(huì)降低到只能支持高達(dá)12 Mbits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率的程度，同時(shí)只提供不對(duì)稱(chēng)保護(hù)。USB端口保護(hù)的替代方法允許高速數(shù)據(jù)傳輸（480 Mbits/s），同時(shí)也完全保護(hù)上游設(shè)備和下游連接設(shè)備。這些優(yōu)點(diǎn)使其適用于工業(yè)PC、PLC等設(shè)備，以及工業(yè)和商業(yè)設(shè)備上的診斷和通用USB端口。

注：MAX22505提供評(píng)估套件（MAX22505EVKIT）。

關(guān)于作者：

Michael Jackson 擁有超過(guò) 20 年的模擬 IC 設(shè)計(jì)工程師專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并在 Maxim Integrated 擔(dān)任高級(jí)技術(shù)作家職位。他擁有都柏林城市大學(xué)的電子工程碩士學(xué)位。

Timothy Leung 是 Maxim Integrated 工業(yè)和醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部的執(zhí)行業(yè)務(wù)經(jīng)理。他擁有加州理工大學(xué)圣路易斯奧比斯波分校的工業(yè)工程學(xué)士學(xué)位

審核編輯 黃昊宇