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USB接口的光电隔离保护方案及其实现

作者:武汉波仕卡科技有限公司(430074)孙汉华?? 武汉波仕电子有限公司(430074)黄丽 王朝辉?? 2007年09月10日 ?? 收藏0

  目前计算机的USB接口已经大量使用,一般每台电脑都有2到4个USB口。当一台电脑同时接多个USB外部设备时,如果这些外部设备介入了高电压干扰,就可能会烧坏电脑的USB口甚至电脑以及外设。目前电脑的几种通信接口中,MODEM口以及以太网接口由于本身具有变压器隔离所以不容易损坏,而RS-232串口也可以选用波仕的RS-232光电隔离器来进行有效的保护,只有USB以及类似的1394接口目前还没有方便的隔离保护方案。

  实现原理

  本文提供了一种对USB信号进行光电隔离的电路,可以使USB的接口得到保护。

将USB信号

图1为将USB信号(D+、D—)转换为光信号的原理框图。

  USB信号检测电路(1)将D+和D—变换为“或”门输出DOR1和差分比较器输出RCV1。一双可控三态缓冲器(2)

(通过控制端EN来控制逻辑“通”与“端”。当EN=“0”时,DOR=DOR1、RCV=RCV1。而当EN=“1”时,DOR和RCV为高阻状态。光发射驱动电路(3)将DOR和RCV转换为三种光强度(亮、半亮、暗)。光接收电路(4)将接收到的三种光强度(亮、半亮、暗)恢复为D+和D—的三种状态。光接收电路(4)的输出之一H的状态变化触发单稳延时电路(5)。单稳延时电路(5)的输出EN平时(即USB信号处于闲置状态时)为“0”,当其输入H有下降延(即由“1”变为“0”)时输出EN由“0”变为“1”并且保持为“1”大约1000us,然后恢复为“0”。另一双可控三态缓冲器(2)通过控制端EN来控制来控制逻辑“通”与“断”,当EN=“1”时,VP=H、VM=L,而当EN=“0”时输出VP、VM为高阻状态。

  具体实施方式

将USB信号转换为光信号的具体电路图?
图2

  图2为将USB信号转换为光信号的具体电路图。假设USB为全速状态(12M),此时D+通过大约1.5KΩ的电阻接+5V电源。平时USB信号处于闲置(Idle)状态,此时D+为“1”(高电平,大约3至5V),D—为逻辑“0”(低电平,大约0至1.4V)。IC1为“或”门。IC2、IC4、IC5和IC6为可控三态缓冲器。其中,IC2和IC4是当其控制信号EN为“0”时导通的,而IC5和IC6是当其控制信号EN为“1”时导通的。由于IC2和IC4在不导通时(即EN为“1”时)输出为高阻状态,所以在IC2的输出端加了上拉电阻R1、在IC4的输出端加了上拉电阻R2。IC3、IC10和IC11是比较器。IC7是单稳触发电路由输入端(信号VP)下降沿触发,输出EN平时为“0”。当IC7的输入端出现一个下降沿时,其输出端将出现一个持续时间大约1000us的“1”状态,然后恢复为“0”。IC7的输出信号EN通过控制IC2、IC4、IC5和IC6来控D+、D—的“收/发”状态。由于EN平时为“0”,所以平时允许接收D+和D—(IC2、IC4导通),而禁止发送信号到D+和D—上(IC5和IC6输出为高阻态)。IC8是一个复合逻辑电路,其输入、输出以及光发射二极管的光强度关系如表1:

输入

  IC8的输出A和B是具有足够电流驱动能力的电压,通过电阻R3和R4送给光发射二极管IC12。光发射二极管IC12的输出光强度大致正比于输入电流。当A和B同时为“1”时,通过光发射二极管的电流最大,所以此时光强度状态称为“全亮”。当A为“1”、B为“0”时,电流只有大约一半,此时光强度状态为“半亮”。当A为“0”、B为“0”时,电流为0,此时光强度状态为“暗”。IC13为光接收器。由于如图描述的电路是实际产品的一半,即在相互光电隔离的两个USB口各加一个这样的USB转光的电路,所以IC13光接收器接对方电路的光发射二极管的光(即通过光电耦合器)。IC13接收光,IC13的输出为与接收到的光的强度大致成正比的电压。无接收光时(即对方发射的光强度为“暗”),IC13的输出V0大约为0。由于比较器IC10、IC11的负端输入电压都大于0,所以IC10和IC11的输出的逻辑状态均为“0”,即H=“0”且L=“0”。当对方光发射强度为“全亮”时,IC13的输出电压比V1和V2都大(V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到),所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H=“1”且L=“1”。当对方光发射强度为“半亮”时,IC13的输出电压比V1大而比V2小(V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到),所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H=“0”且L=“1”。IC9是一个复合逻辑电路,其输入与输出以及接收光强度的关系如表2。

入与输出以及接收光强度的关系表


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USB? 光电隔离? 接口?

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