利用功能隔離器中斷接地環路以減少數據傳輸錯誤

圖3: 利用USB電纜連接兩個交流電源供電的器件造成接地環路中斷總線通信

由于沒有控制信號來指示數據是傳輸到下游（外設）還是上游（主機），因此隔離USB端口以消除電纜接地連接是一件很困難的事情。在無法訪問控制總線的串行接口引擎(SIE)內部信號的情況下，確定數據方向的唯一辦法是通過總線處理。SIE的信號之所以不可用，是因為SIE常常被集成到處理器中。

有多種方法可以隔離USB。例如，可以利用一個外部SIE來避免隔離D+和D-的難題，該SIE由一個采用單向信號的串行接口（如SPI等）控制。SPI為單向接口，因而更容易隔離。

圖4說明了這種方法。光耦合器的傳播延遲會嚴重限制隔離SPI的速度，因此使用一個四通道數字隔離器。外部USB控制器從其緩沖器發送數據，緩沖器通過SPI接口加載。雖然外部SIE以外設最快的數據速率傳輸數據，但總線的有效數據速率受制于控制器使SIE緩沖器保持填滿的能力。這種情況下，數字隔離器的傳播延遲可能是一個瓶頸。由于使用外部SIE，這種方法會占用較大的板空間，而且可能需要修改外設驅動。

圖4: 利用外部SIE隔離D+和D-線路

更簡單的方法是利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線路，如圖5所示。使用這款數字隔離器時，主機和外設的驅動均無需修改，其內部邏輯通過USB協議確定D+和D-的方向，并且相應地停用驅動。2.5kV隔離柵斷開通過USB電纜的接地連接，如若不然，就會形成一個接地環路。

圖5: 利用單芯片USB隔離器ADuM3160直接隔離D+和D-線路

我們設計了一個接地環路的簡單硬件仿真模型，以此說明有線通信中接地環路的危害，以及通過電流隔離來中斷接地環路的有效性。測試設置產生的接地環路連接到USB電纜以及USB集線器和外設的電源，通過一臺筆記本電腦進行控制。此設置將交流電源線的60 Hz信號通過一個互感器耦合到接地線路，這與電源線的磁場在接地環路中產生噪聲的原理相似，因為它依賴的是同一噪聲源。可變串聯電阻使得流經接地環路的電流是可調的。測量從集線器地到外設地的電壓，并且提高流經接地環路的電流，直到它中斷與集線器的通信。測試中使用了兩個不同的外設，當外設地由于仿真接地環路電流提高而比集線器地高出1Vrms以上時，兩個外設一致地失去與集線器和筆記本電腦的通信。利用ADuM3160 USB隔離器隔離集線器端口中斷了通過USB電纜的接地連接，防止互感器耦合的電流流動，從而有效地恢復了PC與任一外設的通信，這說明可以利用數字隔離來防止形成接地環路。

總之，在有線通信中，接地環路可能會帶來問題。器件之間的多個接地連接會形成一個環路，接地環路可能拾取鄰近交流磁場的干擾噪聲。此外，如果存在地電位差（長距離通信可能會有這種現象），則它也會貢獻接地環路噪聲電流。以上任一種現象都可能造成數據錯誤。USB接口是可能遭受接地環路干擾影響的接口之一，而且不容易通過分立數字隔離器進行隔離。接地環路的硬件仿真提供了一個實際的例子，說明了接地環路如何影響USB接口，以及USB隔離器ADuM3160如何解決這種問題。接地環路對USB之外的其他接口也可能造成問題。