杂谈USB光电隔离器

某一天，我走在刚刚加装红绿灯的十字路口。以前这里是一个人和车都很少的十字路口，汽车都是直接冲过去的。后来人和车都多了，眼前的这个十字路口也变复杂了。加装的不仅仅是直行的红绿灯，还有左传的、行人的红绿灯。看着这些按照红绿灯行驶的一辆辆汽车，我想我们的未来电子产品也会象这个路口一样变复杂。

相对与传统的RS-232、RS-485接口，USB是一种新的、比较复杂的技术。在工业通信领域，为了安全可靠，需要对通信接口进行光电隔离。既然USB口也是一种通信接口，那就也要求象RS-232、RS-485一样的实现光电隔离。USB光电隔离器就是比较复杂的电子产品之一。由于USB信号的时序、幅值、方向、速率、规约都及其复杂，所以实现USB信号的光电隔离也是非常复杂的技术，这基本上代表了光电隔离领域的最高水准。

波仕电子的USB光电隔离器

波仕电子早已开发出了USB光电隔离器这一具有国际领先技术水准的产品，并且已经获得专利。发明专利号：ZL02284234.1。基本原理是将USB（信号D+、D—的三种状态转换为光电耦合器的发光二极管的三种强度全亮、半亮、暗，并且传输到光电耦合器的光敏三极管接收器再通过相应电路恢复D+、D—的三种状态。

波仕USB光电隔离器秉承波仕转换器的一贯特色，具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持USB2.0全速（12Mbps）速率、隔离 2500V电压、无须外接电源、无须驱动程序。波仕USB光电隔离器的使用非常简单，与一根普通的USB延长电缆的使用是一样的。BS-USB产品的上位机侧的电缆为A型插头，直接外插计算机的USB插座。BS-USB产品的下位机侧的电缆为A 型插座，用于外接USB设备（比如U盘、USB/RS-232转换器）的插头。也就是说，当BS-USB产品的A型插头外插计算机的USB口时，BS- USB的A型插座就相当于是一个已经隔离的USB口。由于BS-USB自带隔离DC/DC并且自耗一定功率，所以对外驱动能力小于原计算机USB口的驱动能力。BS-USB仅仅是一个透明的物理隔离，是不需要驱动程序的。

实现USB电气隔离的技术难点

当初USB的出现是为了统一计算机的各种外设接口，取代PS/2鼠标口、键盘口、打印口等，特别是取代苹果的Fieware（火线）甚至IEEE-1394 口。为了在与后者的竞争中取得优势，USB的引脚数就不可能多于后者的4个。而地线、电源线就占了2个，信号线就只剩余2个了。这与传统的PS/2、RS -232、打印口、以太网都有空余线的做法大不一样。同时这样做的结果就使得USB的改进（除了速度改进）余地很小、特别是电气隔离的改进非常困难。 USB口的电气隔离技术改进的难点就在于缺少USB的方向信号而USB的两个信号线D+和D—又是不分方向的。USB信号流的方向是靠D+、D—两个信号 的幅值一起来判断的，而且并不是它们的差值。在USB光电隔离方案难点都在于将USB信号怎样分开为发送与接收两部分。如果USB口本身有一个能够表明数据是发送还是接收的信号线，那么USB的电气隔离就好解决多了。

在现有的USB2.0以及USB1.0版本中都缺少一根表明USB数据方向（发送还是接收）的信号线，而指望USB标准增加专门的这根方向标志线是不现实的。USB的接头机械标准就是4根线，是不可能改变的。我们认为USB标准最有可能的改进在于电源线（+5V）。目前的电源线永远是固定的+5V （或者低电压版的+3.3V），其实可以在这根线中增加瞬时低电平脉冲信号作为USB信号方向标志。这个瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开 始，并不一定需要在整个发送数据的时间段一直保持低电平，而且电平也不需要低到0，只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不明显影响 USB口的对外设供电能力。

我们曾经指望USB3.0版本增加这根方向标志线，很遗憾的是USB3.0对USB2.0是假的兼容，对USB2.0部分没有任何改动。 USB3.0有9根线，其中4根线就是原来的USB2.0部分，其余的5根线是增加的3.0部分。增加的5根USB3.0线与传统的USB2.0是毫无关系的，它设计的速率是4.8G，是传统的USB2.0速率（480M）的10倍。USB2.0（480M）之所以可以实现光电隔离，实际上是因为它兼容较低速率的USB1.0（速率为12M）。USB1.0的12M速率的光电隔离已经要用到高速光电耦合器了。480M的光电耦合器还没有出现，更别谈USB3.0的4.8G了。不过转换为光纤从理论上是可以实现480M甚至4.8G的隔离的，那成本以及功耗估计就难以降低了。

其它的USB光电隔离器

早期的美国BB公司也开发了一种USB隔离HUB，是从一个USB口扩展出4个光电隔离的USB口。基本原理是通过USB接口电路先将USB信号分解为数据总线和控制总线，进行高速光电隔离后再合成为USB信号。采用的是MAXIM的接口电路和agilent的光耦。后来AD公司瞄上了这个产品市场，想把它集成到一块芯片里去（当然不包括DC/DC电源）。产品还没有出来，广告宣传早已经展开了，但是我们非常怀疑这种未来产品将来的性能。因为AD公司以前生产过比这简单的多的将I2C接口光电隔离器集成到一个芯片里的产品ADUM1250也不过关。