USB隔离市场，光耦产品过时了？

2009-05-24来源: EEWORLD 汤宏琳

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　　“最近我们在北京做了一个参考平台，但在与笔记本连接时，很多接口速度却不够，”ADI亚太区医疗事业资深业务经理周文胜不无感慨地告诉EEWORLD。

　　如果必须隔离一个与PC机连接的设备，人们很自然地会选择USB接口。尤其对于全球数亿人口的健康维护来说，针对病人监护、疾病管理、卫生与健康，以及药物发放的设备是必不可少的，因此对支持USB的保健护理设备的需求也在不断增长。

      尽管，70年代发展起来的光耦合器因其具有信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等诸多优点，在当今USB隔离市场占据不小的份额，但是，无限增加的设计复杂度、对更多IC的需求以及随之带来的成本提升缺点，都影响着USB隔离方面的设计。

　　磁耦PK光耦

　　变压器、耦合电容器、光耦合器以及iCoupler隔离器——都提供电流隔离的典型方法，它们能阻断两点之间的电流，同时允许数据顺利通过。所谓“隔离”是用来保护设备以防由电源浪涌或接地环路引起的高电压或电流。被长电缆分开的系统地线因为不是处于相等的电位，所以地电流会在这两个系统之间流动。如果不采用隔离，上述电流会引入噪声，降低测量质量，甚至毁坏系统元件。

　　其中，光耦是应用范围较广的产品，它以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

　　但是，也恰恰由于电-光-电的转换具有一定比率，而这种比率会随着温度的变化而变化。同时，LED本身也会随着温度和时间漂移，因而对环境的要求比较严苛，可靠性有待提高。

　　与之相比，2001年ADI推出的iCoupler技术消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题；功耗降低了90％；并且无需外部驱动器或分立器件。通过采用晶圆级工艺直接在芯片上制作变压器，iCoupler可以在低成本条件下实现多通道及其它半导体功能集成。iCoupler变压器采用平面结构，在晶圆钝化层上使用CMOS金属和金构成。金层下有一个耐高压的聚酰亚胺层，将顶部的变压器线圈和底部线圈隔离开来。连接顶部线圈和底部线圈的CMOS电路为每个变压器及其外部信号之间提供接口。

　　传统设计之痛

　　当然，最最简单的方案莫过于不隔离，即USB外设与USB Host直接通过电缆连接。但是，在工业过程控制、稳压电源和计算机之间点对点通信等应用中。互连系统中的各子系统通常都有自己的电源，而且往往相距很远，所以通常都需要采用电流隔离不形成接地环路，保护系统免遭瞬态高电压损坏，而且降低了信号失真，也保护了人身安全。也恰恰是基于这样保护和安全考虑，越来越多的应用需要强制隔离，特别是医疗和工业设计应用往往具有很严格的技术规范，需要强制隔离。

　　一种方式可以将高成本的隔离解决方案嵌入到外设中，这种隔离方法没法在USB SIE上实现，需要使用专门的设计技术和可用的端口实现隔离，这样的方式无形中增加了整个系统的成本。此外，还可以将隔离放在USB隔离模块或者连接线上，即外设和Host之间的连接通过某种嵌入式特殊隔离模块的连接线实现。然而，此类连接线往往需要通过ASIC或者一堆器件搭建起来，“成本往往是几百元甚至上千元，”周文胜告诉EEWORLD。体积大、成本高，也决定了这种方案实施的难度。

　　“传统USB隔离方案需要一个收发器将USB的双向差分信号转换成更兼容传统分立隔离器的信号，这种收发器成本高且占用较大的空间，”ADI公司隔离产品部产品线总监Ronn Kliger表示，“ADI的新型USB隔离器可以替代昂贵、耗时的传统USB隔离方案，在一个IC内实现了所有USB信号处理和隔离功能。”

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　　作为首款单封装USB隔离器，ADuM4160取代了复杂的板级解决方案，在尺寸和成本都得以减小的同时，功耗和散热性能都极大了得到了提高。

 　　“医疗设计一般采用隔离的RS-232或以太网连接，这些连接限制了数据传送速率，不支持即插即用功能，并且占用过多的空间，”ADI公司医疗保健部总监Patrick O’Doherty表示。

　　ADuM4160 USB隔离器采用ADI的iCoupler数字隔离技术（基于跃迁的隔离），可提供有效值为5kV的医用等级的隔离、上游短路保护和完全隔离的1.5Mbps和12Mbps数据速率。该器件符合USB 2.0标准，能以远低于目前数据隔离方案的成本和复杂度实现完全隔离的USB功能。此外，ADuM4160采用外部提供的5V USB电源供电，或由系统利用内部稳压器提供的3.3V电源工作。同时还提供上拉电阻的隔离控制，使外设能够控制连接时序。它在空闲状态下的电流低至2mA（最大值），无需挂起状态。

　　这个单封装、双向且专门应用于USB的隔离器，主要瞄准医疗应用，对ADI而言，是“史无前例”的，从2001年至今，已经有超过2.5亿个通道采用iCoupler技术。然而，光耦似乎也不示弱，新型光耦合器不断涌现，其应用范围已扩展到计测仪器，精密仪器，工业用电子仪器，计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统等领域。磁耦无疑是极具竞争力的，然而如果提及取代，尚需时日。

编辑：汤宏琳 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/medical_electronics/2009/0524/article_691.html