保护您的 USB 端口不必减慢速度

作者：Maxim Integrated 高级技术作家 Michael Jackson 和 Maxim Integrated 工业和医疗保健业务部执行业务经理 Timothy Leung

通用串行总线 (USB) 最初设计用于将数据和电源传输到连接到计算机的外部外围设备。如今，它还用于传输数据并为众多低功耗便携式设备供电。USB 端口已迅速成为大多数消费电子设备上几乎无处不在的功能，最近，它开始出现在在高压 (>20 V) 环境中运行的商业和工业设备上（图 1）。然而，高压与低压 USB 端口的接近对连接到端口本身的任何设备以及潜在的用户都存在安全隐患。如果由于故障或其他原因，两个电压域接触，结果可能很危险

图 1：在飞机上为手机充电。

在此设计解决方案中，我们将回顾保护 USB 端口免受高压影响的传统方法以及这些方法对端口性能造成的限制。然后，我们提出了一种替代方法，该方法不会损害用户或其连接设备的 USB 端口功能的安全性或速度。

USB评论

USB 是一种四线接口，用于将上游主机充电器连接到下游设备（图 2）。V BUS (+5 VDC) 和 GND (0 V) 是电源引脚，而 D+ 和 D– 用于差分或单端数据传输。数据被组织成数据帧或数据包。每个帧都可以包含用于时钟同步、数据类型标识符、设备地址、数据有效负载和数据包结束序列的位。

图 2：USB 引脚接口框图。

使用各种不同外形尺寸的连接器以 1.5 Mbits/s（低速）、12 Mbits/s（全速）或 480 Mbps（高速）的速度进行数据传输。A、B、mini-B 和 micro-B 型是最常见的连接器类型。

USB 保护方法

USB 数据结构的控制由串行接口引擎 (SIE) 在电缆的每一端处理。这种专用控制器或较大控制器的子集通常包括处理 USB 协议的 USB 收发器硬件。

当外围设备首次连接到电缆时，SIE 会向主机提供配置信息和电源要求。在操作过程中，SIE 根据所需的传输速度格式化所有数据，并提供错误检查和故障处理。SIE 处理总线流控制并根据需要启用或禁用线路驱动器和接收器。主机启动所有事务，然后遵循主机和外围设备之间的一系列数据交换。这包括有关数据何时损坏或可能发生的其他故障的规定。

用于USB数据通道保护的通用IC解决方案使用工艺隔离技术，以确保高压设备和低压设备之间不存在电流路径。这涉及在控制器之间的位置使用隔离IC（图3）。

图3：USB控制器之间的隔离。

虽然这确保了USB端口可以继续正常工作，即使暴露在高达5 kV的电压下，但这种方法仅允许高达12 Mbits/s的数据传输速率。

一些IC解决方案受到限制，因为它们仅提供上游保护（即，主机侧受到保护，但下游设备不受保护）。此外，一些隔离IC保护数据传输引脚（D+/D-），但不保护电源引脚（VBUS/GND）。可以使用分立元件构造更小的定制USB保护电路。然而，由于需要许多组件，该解决方案非常复杂，同时仍允许仅以12 Mbit/s的速度传输数据。

无隔离保护

用于商业和工业设备的USB端口保护的替代集成解决方案如图4所示。

图4:MAX22505 USB保护解决方案。

MAX22505解决方案保护USB端口免受故障，同时允许数据传输速率高达480 Mbits/s。该设备确保USB端口在暴露于工业和商业环境中通常遇到的电压水平（±24 VAC或±40 VDC）下时得到充分保护。如果出现布线故障，导致USB端口与高压接触，该IC通过有效“开路”端口连接来响应，从而保护上游主机和任何连接的下游设备。在故障解决之前，无法进行数据传输。

另一个好处是节省电路板空间。该解决方案仅需要120mm2的面积，与其他解决方案相比节省了20%至50%。此外，在发生故障时（电源为±50 VDC，数据为±40.7 V），所有USB端口引脚均受到保护，无需配置。

结论

虽然USB端口最初是低压消费类电子产品的一个常见功能，但它正越来越多地被用作高压商用和工业设备的电源和数据传输接口。这对连接到此类端口的外围设备的用户造成的潜在危险意味着某种形式的保护至关重要。

当前的USB端口保护方法主要关注端口隔离。然而，这需要注意的是，USB性能会降低到只能支持高达12 Mbits/s的数据传输速率的程度，同时只提供不对称保护。USB端口保护的替代方法允许高速数据传输（480 Mbits/s），同时也完全保护上游设备和下游连接设备。这些优点使其适用于工业PC、PLC等设备，以及工业和商业设备上的诊断和通用USB端口。

注：MAX22505提供评估套件（MAX22505EVKIT）。

关于作者：

Michael Jackson 拥有超过 20 年的模拟 IC 设计工程师专业经验，并在 Maxim Integrated 担任高级技术作家职位。他拥有都柏林城市大学的电子工程硕士学位。

Timothy Leung 是 Maxim Integrated 工业和医疗保健业务部的执行业务经理。他拥有加州理工大学圣路易斯奥比斯波分校的工业工程学士学位

审核编辑 黄昊宇