作者：Maxim Integrated 高級技術作家 Michael Jackson 和 Maxim Integrated 工業和醫療保健業務部執行業務經理 Timothy Leung

通用串行總線 (USB) 最初設計用于將數據和電源傳輸到連接到計算機的外部外圍設備。如今，它還用于傳輸數據并為眾多低功耗便攜式設備供電。USB 端口已迅速成為大多數消費電子設備上幾乎無處不在的功能，最近，它開始出現在在高壓 (>20 V) 環境中運行的商業和工業設備上（圖 1）。然而，高壓與低壓 USB 端口的接近對連接到端口本身的任何設備以及潛在的用戶都存在安全隱患。如果由于故障或其他原因，兩個電壓域接觸，結果可能很危險

圖 1：在飛機上為手機充電。

在此設計解決方案中，我們將回顧保護 USB 端口免受高壓影響的傳統方法以及這些方法對端口性能造成的限制。然后，我們提出了一種替代方法，該方法不會損害用戶或其連接設備的 USB 端口功能的安全性或速度。

USB評論

USB 是一種四線接口，用于將上游主機充電器連接到下游設備（圖 2）。V BUS (+5 VDC) 和 GND (0 V) 是電源引腳，而 D+ 和 D– 用于差分或單端數據傳輸。數據被組織成數據幀或數據包。每個幀都可以包含用于時鐘同步、數據類型標識符、設備地址、數據有效負載和數據包結束序列的位。

圖 2：USB 引腳接口框圖。

使用各種不同外形尺寸的連接器以 1.5 Mbits/s（低速）、12 Mbits/s（全速）或 480 Mbps（高速）的速度進行數據傳輸。A、B、mini-B 和 micro-B 型是最常見的連接器類型。

USB 保護方法

USB 數據結構的控制由串行接口引擎 (SIE) 在電纜的每一端處理。這種專用控制器或較大控制器的子集通常包括處理 USB 協議的 USB 收發器硬件。

當外圍設備首次連接到電纜時，SIE 會向主機提供配置信息和電源要求。在操作過程中，SIE 根據所需的傳輸速度格式化所有數據，并提供錯誤檢查和故障處理。SIE 處理總線流控制并根據需要啟用或禁用線路驅動器和接收器。主機啟動所有事務，然后遵循主機和外圍設備之間的一系列數據交換。這包括有關數據何時損壞或可能發生的其他故障的規定。

用于USB數據通道保護的通用IC解決方案使用工藝隔離技術，以確保高壓設備和低壓設備之間不存在電流路徑。這涉及在控制器之間的位置使用隔離IC（圖3）。

圖3：USB控制器之間的隔離。

雖然這確保了USB端口可以繼續正常工作，即使暴露在高達5 kV的電壓下，但這種方法僅允許高達12 Mbits/s的數據傳輸速率。

一些IC解決方案受到限制，因為它們僅提供上游保護（即，主機側受到保護，但下游設備不受保護）。此外，一些隔離IC保護數據傳輸引腳（D+/D-），但不保護電源引腳（VBUS/GND）。可以使用分立元件構造更小的定制USB保護電路。然而，由于需要許多組件，該解決方案非常復雜，同時仍允許僅以12 Mbit/s的速度傳輸數據。

無隔離保護

用于商業和工業設備的USB端口保護的替代集成解決方案如圖4所示。

圖4:MAX22505 USB保護解決方案。

MAX22505解決方案保護USB端口免受故障，同時允許數據傳輸速率高達480 Mbits/s。該設備確保USB端口在暴露于工業和商業環境中通常遇到的電壓水平（±24 VAC或±40 VDC）下時得到充分保護。如果出現布線故障，導致USB端口與高壓接觸，該IC通過有效“開路”端口連接來響應，從而保護上游主機和任何連接的下游設備。在故障解決之前，無法進行數據傳輸。

另一個好處是節省電路板空間。該解決方案僅需要120mm2的面積，與其他解決方案相比節省了20%至50%。此外，在發生故障時（電源為±50 VDC，數據為±40.7 V），所有USB端口引腳均受到保護，無需配置。

結論

雖然USB端口最初是低壓消費類電子產品的一個常見功能，但它正越來越多地被用作高壓商用和工業設備的電源和數據傳輸接口。這對連接到此類端口的外圍設備的用戶造成的潛在危險意味著某種形式的保護至關重要。

當前的USB端口保護方法主要關注端口隔離。然而，這需要注意的是，USB性能會降低到只能支持高達12 Mbits/s的數據傳輸速率的程度，同時只提供不對稱保護。USB端口保護的替代方法允許高速數據傳輸（480 Mbits/s），同時也完全保護上游設備和下游連接設備。這些優點使其適用于工業PC、PLC等設備，以及工業和商業設備上的診斷和通用USB端口。

注：MAX22505提供評估套件（MAX22505EVKIT）。

關于作者：

Michael Jackson 擁有超過 20 年的模擬 IC 設計工程師專業經驗，并在 Maxim Integrated 擔任高級技術作家職位。他擁有都柏林城市大學的電子工程碩士學位。

Timothy Leung 是 Maxim Integrated 工業和醫療保健業務部的執行業務經理。他擁有加州理工大學圣路易斯奧比斯波分校的工業工程學士學位

審核編輯 黃昊宇