如果以標準通用序列匯流排(USB)電纜將桌上型電腦(PC)連接到工業裝置或醫療裝置，可能會立刻得到一個昂貴的教訓，因為PC和所連接的裝置很可能連到地電位不同的插座上。PC與工業裝置連接後，USB電纜可能在這兩台裝置之間提供一個較低阻抗的接地通路，而使USB電源通路上的所有元件都被燒毀，如果以USB電源供電的裝置，例如可攜式掃描器，來取代PC，那麼將面對無法提供充足功率的USB埠之困境。甚至更令人沮喪的是，所有裝置都是安全連接、而且供電方式正確，但是電氣雜訊的環境卻使通訊出現故障。
USB標準是上世紀90年代中期制定的，當時從未考慮用在有雜訊的環境中。USB本打算用來在相對安靜的家庭或辦公環境中，透過短距離將低功率周邊連接至PC，如今，USB由於速度和易用性等優點已經變得廣受歡迎，設計者也依靠USB連接電腦與眾多客製化的周邊裝置，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領域。
其實市場上已有隔離式USB收發器，但這些解決方案不包括隔離式電源和被動元件，因此形成較大和比較複雜的設計。近來業界推出一款精簡式的隔離式USB收發器和電源，該元件可簡化任何隔離式USB 2.0集線器或周邊設計，並針對嚴苛環境進行良好準備。
晶片級隔離有效減輕系統負擔
電氣隔離廣泛用於各種行業中，最常見的是提供安全保護，防止潛在破壞性大的電壓導致裝置損壞，以及用來消除雜訊和接地迴路產生的共模電壓差影響，或做為不同工作電壓之間的位準移位元件。一般情況下，要建立一個隔離式系統，除了隔離層元件本身，在隔離層兩側還需要若干被動和主動元件。
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| 圖1 帶隔離電源的LTM2884隔離式USB收發器 |
隔離層元件是出了名的難用，又明顯地增加隔離式系統的設計階段和成本。考慮到這一點，業界開發微型模組(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須插入一個模組，無需任何複雜的隔離層元件。
實際上，μModule隔離器根本無需外部元件，其提供2,500VRMS電氣隔離，在一個15毫米(mm)×15毫米×5毫米表面黏著BGA封裝中，整合一個USB 2.0收發器、一個無光耦合器的反馳式轉換器、幾個超低靜態電流高電壓線性穩壓器(LDO)和所有需要的被動元件。
與該系列中的其他μModule隔離器一樣，新的隔離方案採用電感耦合線圈或無磁芯變壓器，以穿越2,500VRMS隔離層傳遞資料，而專用高效積體電路(IC)則負責為兩個USB通道和兩個資料方向執行資料傳輸和接收功能。隔離層任一側的USB訊號被編碼為脈衝，並使用差動訊號傳輸透過在μModule襯底中形成的無磁芯變壓器橫跨隔離邊界進行轉換。該系統備有資料刷新、差錯校驗、故障安全停機和可承受極高的共模，為雙向訊號隔離提供了一款堅固的解決方案。
該μModule隔離器中的隔離電源採用更傳統的方法產生--從一個具原邊電壓檢測調節功能的邊界模式反馳轉換器所取得。此種整體電源架構可提供簡單、彈性，容錯和相對高效的設計(效率約為65%)。
此外，其具有兩個用於為內置USB收發器和直流對直流(DC-DC)轉換器供電的分離輸入。USB收發器從一個4.4～16.5伏特(V)匯流排或外部電源接收功率，直流對直流轉換器也從相同的電源接收功率；如果連接至5伏特匯流排，則隔離式周邊能夠利用高達1瓦(W)(200毫安培(mA)/5伏特)的隔離電源；否則，當連接至一個高於8.6伏特的外部電源時，則可為周邊提供2.5瓦(500毫安培/5伏特)功率。
具備高性能隔離層 新元件承載高ESD額定值
目前，業界新推出的μModule隔離器除具備簡化的隔離式系統設計，以及高效和彈性的電源架構，還相容於USB 2.0全速(12Mbit/s)和低速(1.5Mbit/s)的運行模式。如圖2，新型隔離器檢測下游埠所連接的USB裝置的速度，然後設定其內部上游埠的上拉電阻器，以與該速度匹配。
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| 2 新型隔離方案自動選擇內部上游上拉電阻器以與下游速度匹配 |
其整合的下拉電阻器也支援下游匯流排配置，透過監視下游空閒狀態並以定速率刷新跨隔離層的狀態，保持USB匯流排的空閒狀態，如果上游埠閒置時間超過3毫秒(ms)，那麼該隔離器就可以進入暫停模式，以使該元件本身的功耗降至500微安培(μA)以下，這種自動速度選擇功能毋須設定跨接線或配置軟體，就能實現真正的隨插即用式設計。
電氣隔離的優點之一，是隔離層能夠擋住高電壓，從而無需其他保護元件，例如笨重的瞬變電壓抑制器(MOV、TVS等)。儘管隔離可以保護裝置免受地電位差損害，但是還需要其他保護機制來抵禦有環境中常見的雜訊、瞬變和湧浪。
業界推出的新元件不僅能夠輕鬆承受2,500VRMS(3,500VPEAK)長達1分鐘，而且能夠在連至本地電源的USB接腳上承受±15kV人體模型(HBM)靜電釋放(ESD)，以及能夠透過連至電源的隔離層承受±15kV HBM。高ESD額定值歸功於仔細設計的高性能隔離層，該額定值還支援30kV/μs(典型值為50kV/μs)的最低共模瞬變速率，並允許元件透過瞬變事件無差錯工作，同時發送USB資料。
事實上，新產品對於射頻(RF)和磁場擁有強大的承受能力，而且對相鄰元件也沒有影響，不產生高電磁干擾(EMI)。而其中採用的μModule隔離器技術已經過獨立機構評估，在測試中達到歐洲標準EN 55024對RF和磁場承受能力的要求，並依據EN 61000-4-3測試標準要求。此外，設計和布局方法還允許該產品最大限度地減小EMI，使其達到遠低於CISPR 22 Class B限制的水準，毋須採用複雜的EMI遮罩和抑制技術。
面積小/耐溫高 隔離式USB滿足醫療標準要求
當隔離USB埠時，並沒有太多電路配置工作。隔離元件如LTM2884(圖3)既可以放置在周邊的輸入端，與USB電纜(中繼器)串聯，也可以放置在集線器/主機的輸出端。該μModule的占板面積為225mm2，所需電路板空間小，幾乎所有電氣規格都經過測試，並保證可操作於-40～105℃的工作溫度範圍，且其達到醫療安全標準IEC 60601-1的所有要求，除極少數要求A.C.測試電壓高於2,500kVRMS的雙操作者保護方法(MOOP)和雙患者保護方法(MOPP)測試要求之外。
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| 圖3 基於新型隔離元件的LTP2884 USB串聯隔離器 |
目前，需要隔離的USB應用的數量仍然在增加，尤其是出於安全性和可靠性原因，在工業和醫療行業成長顯著。與較舊式分立式解決方案不同的是，新款隔離器採用小型封裝提供資料加電源隔離。2,500VRMS的電氣隔離、自動速度選擇、出色的共模抑制、高ESD和低EMI均有助於加速可靠的設計。此外，由於無需包括如電源去耦電容等的外部元件，因此會受到如LTP2884或DC2026等很多空間受限之USB應用的歡迎。
(本文作者任職於凌力爾特)