CN210377444U - 一种用于消除信号干扰和电源干扰的usb隔离器及隔离系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器及隔离系统，涉及USB隔离器领域；其USB隔离器包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC‑DC隔离模块；UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；本实用新型设置USB隔离电路和UART隔离电路，实现消除信号干扰的同时满足触控设备双系统两路信号的要求，同时设置升压稳压电路保证输出电压，设置的DC‑DC隔离模块分离隔离电路两端的地线，增大输出工作电流的同时消除共模干扰，实现同时消除信号干扰和电源干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及USB隔离器领域，尤其是一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器及隔离系统。
背景技术
通用串行总线“USB”是在USB实体和USB集线器之间传输数据的普遍标准，USB实体包括USB主机或者USB设备。USB是个人电脑的首选串行接口，该接口得到所有常用的商业操作系统的支持，且允许硬件和驱动器热插拔，一台主机可以集中星型方式连接多达127个设备。许多数据传输模式可处理存储设备的大批量数据传输、流媒体的同步传输以及时间关键型数据的中断驱动型传输(如鼠标移动)等各类传输。USB以三种数据传输速率运行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。
随着计算机技术的不断发展，安全问题成问题越来越受到重视，现有的计算机系统大部分都未经隔离的，安全应用存在很大的隐患。主机或者电源的干扰、和主机外接其他设备带来的干扰，会通过USB线路传导到外接的设备，影响外接设备运行，因此主机和外接设备之间设置隔离器，隔离器是在两个电流隔离电路系统之间交换数据信号的装置，隔离装置可以穿过隔离阻挡提供数据交换，保持电流隔离。隔离装置已经被用于USB通信，这些装置通常包括USB接收器，其根据USB协议从USB线缆接收数据，以及发送所接收的数据穿过隔离阻挡。
目前的USB隔离器虽然在隔离性能上得到提升，但依然存在以下问题：一、USB隔离器为一进一出形式，无法满足触控设备双系统两路信号的要求；二、其最大工作电流在400mA以内，无法满足主机USB接口最大500mA输出的标准；三、在使用长度较长的USB数据线时，因线材和隔离器本身的负载，最终达到触控设备的电压会过低，导致设备无法运行。因此，本申请提出一种USB隔离器，克服以上问题。
发明内容
本实用新型的目的在于：本实用新型提供了一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器及隔离系统，解决了现有USB隔离器无法实现消除两路信号干扰的问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端。
优选地，所述UART隔离电路包括UART隔离芯片U8，所述隔离芯片U8的VoA引脚、ViB引脚对应连接主机串口的RX、TX引脚，所述隔离芯片U8的ViA引脚、VoB引脚连接外接设备的TX、RX引脚。
优选地，所述USB隔离电路包括USB隔离芯片U5，所述USB隔离芯片U5的UD-_1、UD+_1引脚对应连接主机USB接口的D-、D+引脚，所述USB隔离芯片U5的UD-_2、UD+_2引脚对应连接外接设备的USB接口的D-、D+引脚。
优选地，所述DC-DC隔离模块包括DC-DC芯片U1、DC-DC芯片U2、保险丝F2、电容C4和极性电容C3，所述DC-DC芯片U1、U2并联连接，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚分别连接USB隔离电路输入端地线和UART隔离电路输入端地线，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接保险丝F2后连接电容C4，电容C4和极性电容C3并联连接，其并联连接的一端分别连接USB隔离电路输出端地线和UART隔离电路输出端地线，其并联连接的另一端接地。
优选地，所述稳压升压电路包括升压芯片MT1，所述升压芯片MT1的EN引脚连接电容C9后接地，电容C9连接电阻R10后连接主机端电压即输入电压VIN，输入电压VIN还连接电容C10后接地，MT1的SW引脚连接电感L1后连接电阻R10和主机端的输入电压VIN，MT1的SW引脚还连接二极管D5后连接外界设备电压即输出电压Vout，MT1的FB引脚连接电阻R12后接地，MT1的FB引脚还连接电阻R13后连接二极管D5阴极，输出电压Vout连接电容C11后接地。
优选地，所述输出电压Vout和输入电压VIN计算公式如下：。
Vout＝VIN*R12/(R13+R12)
优选地，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_2引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD2引脚。
一种基于上述USB隔离器的隔离系统，包括主机、USB隔离器和外接设备，所述外接设备通过USB隔离器连接主机，所述USB隔离器包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型通过设置USB隔离电路和UART隔离电路，实现消除信号干扰的同时满足触控设备双系统两路信号的要求，同时设置升压稳压电路保证输出电压，设置的DC-DC隔离模块分离隔离电路两端的地线，增大输出工作电流的同时消除共模干扰，USB隔离电路、UART隔离电路、升压稳压电路隔离设置，实现同时消除信号干扰和电源干扰，提升USB隔离器性能；
2.本实用新型设置USB隔离和UART隔离，满足触控设备对接Windows和Android双系统时的双路信号需求的同时隔离主机或者电源或者外接设备引起的信号干扰；
3.本实用新型采用两个DC-DC隔离模块并联，其最大工作电流为400mA，满足主机USB接口最大500mA输出的标准，同时DC-DC隔离模块将USB隔离电路和UART隔离电路两端的地线分离，消除共模干扰或者同一个电源总线内其他的大功率设备，比如空调、压缩机等等的引起的电源干扰；
4.本实用新型设置升压稳压电路，可确保触控设备收到5V工作电压，保证输出电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实用新型的系统框图；
图2是本实用新型系统的连接示意图；
图3是本实用新型的UART隔离电路图；
图4是本实用新型的USB隔离电路图；
图5是本实用新型的升压稳压电路图；
图6是本实用新型的DC-DC隔离模块电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
隔离器是在两个电流隔离电路系统之间交换数据信号的装置，隔离装置可以穿过隔离阻挡提供数据交换，保持电流隔离。隔离装置已经被用于USB通信，这些装置通常包括USB接收器，其根据USB协议从USB线缆接收数据，以及发送所接收的数据穿过隔离阻挡。USB物理层只包含4条线：两条向外设提供5V电源和地，另外两条(D+和D-)构成可传递差分数据的双绞线对，这些线也可传递单端数据以及用无源电阻实现的空闲状态。当设备连接到总线上时，无源电阻结构中的电流对传输速度进行协商，并建立无驱动的空闲状态。数据被组织成数据帧或数据包，每帧可以包含时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有效载荷及包尾序列。
目前的USB隔离器虽然在隔离性能上得到提升，但依然存在以下问题：一、USB隔离器为一进一出形式，无法满足触控设备双系统两路信号的要求；二、其最大工作电流在400mA以内，无法满足主机USB接口最大500mA输出的标准；三、在使用长度较长的USB数据线时，因线材和隔离器本身的负载，最终达到触控设备的电压会过低，导致设备无法运行。因此，本申请提出一种USB隔离器，克服以上问题，细节如下：
一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端。
工作原理：主机和外接设备之间设置隔离器，去除电源干扰和信号干扰，UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口，USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口，实现隔断两路信号的干扰的同时满足双信号的要求，稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备，保证输出5V电压，保证外接设备的正常供电，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端，将隔离电路两端的地线分离，去除共模干扰。如图1-2所示，稳压升压电路、USB隔离电路、UART隔离电路把主机到外接设备的电源、信号线、地线等所有线路隔离，阻止干扰信号通过，实现消除电源干扰和信号干扰。
USB隔离电路和UART隔离电路分别采用对应通讯速率的隔离芯片，UART隔离电路采用ADuM3201隔离芯片，USB隔离电路采用ADuM3160隔离芯片，稳压升压电路的升压芯片采用MT3608，DC-DC隔离模块采用B0505S-2W；具体的电路连接如图3-6所示，本实施例仅列举一种型号，但本申请器件的选型包括但不限于上述的种类，可根据实际需求进行选取，在此不进行赘述。
综上，本实用新型通过设置USB隔离电路和UART隔离电路，实现消除信号干扰的同时满足触控设备双系统两路信号的要求，同时设置升压稳压电路保证输出电压，设置的DC-DC隔离模块分离隔离电路两端的地线，增大输出工作电流的同时消除共模干扰，USB隔离电路、UART隔离电路、升压稳压电路隔离设置，实现同时消除信号干扰和电源干扰，提升USB隔离器性能。
实施例2
基于实施例1，细化本申请的电路，细节如下：
如图3所示，所述UART隔离电路包括UART隔离芯片U8，所述隔离芯片U8的VoA引脚、ViB引脚对应连接主机串口的RX、TX引脚，所述隔离芯片U8的ViA引脚、VoB引脚连接外接设备的TX、RX引脚。
如图4所示，所述USB隔离电路包括USB隔离芯片U5，所述USB隔离芯片U5的UD-_1、UD+_1引脚对应连接主机USB接口的D-、D+引脚，所述USB隔离芯片U5的UD-_2、UD+_2引脚对应连接外接设备的USB接口的D-、D+引脚。
如图6所示，所述DC-DC隔离模块包括DC-DC芯片U1、DC-DC芯片U2、保险丝F2、电容C4和极性电容C3，所述DC-DC芯片U1、U2并联连接，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚分别连接USB隔离电路输入端地线和UART隔离电路输入端地线，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接保险丝F2后连接电容C4，电容C4和极性电容C3并联连接，其并联连接的一端分别连接USB隔离电路输出端地线和UART隔离电路输出端地线，其并联连接的另一端接地。地线分离去除干扰的原理：屏蔽地的作用是防止外部信号干扰电路的工作，地线分离，因此地线应该避免和机壳连接，同时还应该与信号地可靠的单点连接，禁止多点接地成环。
如图3、4、6所示，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_2引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD2引脚。
如图5所示，所述稳压升压电路包括升压芯片MT1，所述升压芯片MT1的EN引脚连接电容C9后接地，电容C9连接电阻R10后连接主机端电压即输入电压VIN，输入电压VIN还连接电容C10后接地，MT1的SW引脚连接电感L1后连接电阻R10和主机端的输入电压VIN，MT1的SW引脚还连接二极管D5后连接外界设备电压即输出电压Vout，MT1的FB引脚连接电阻R12后接地，MT1的FB引脚还连接电阻R13后连接二极管D5阴极，输出电压Vout连接电容C11后接地。
所述输出电压Vout和输入电压VIN计算公式如下：。
Vout＝VIN*R12/(R13+R12)
本实施例的电路器件的取值如图3-6所示，本实施例输入电压VIN为0.6V，，R12、R13取值为2.7K、20K，根据公式和以上数据即可计算输出电压Vout为5.04V，满足外接设备的供电要求。
实施例3
基于实施例1或者2的USB隔离器，提供一种隔离系统，包括主机、USB隔离器和外接设备，所述外接设备通过USB隔离器连接主机，所述USB隔离器包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路。
所述隔离系统实现消除信号干扰和电源干扰的同时满足输出电压、输出工作电流等的要求，取决于USB隔离器设置USB隔离电路和UART隔离电路，实现消除信号干扰的同时满足触控设备双系统两路信号的要求，同时设置升压稳压电路保证输出电压，设置的DC-DC隔离模块分离隔离电路两端的地线，增大输出工作电流的同时消除共模干扰，USB隔离电路、UART隔离电路、升压稳压电路隔离设置，实现同时消除信号干扰和电源干扰，提升隔离系统性能，因此细节与实施例1或者2相同，在此不进行赘述。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端。
2.根据权利要求1所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述UART隔离电路包括UART隔离芯片U8，所述隔离芯片U8的VoA引脚、ViB引脚对应连接主机串口的RX、TX引脚，所述隔离芯片U8的ViA引脚、VoB引脚连接外接设备的TX、RX引脚。
3.根据权利要求1所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述USB隔离电路包括USB隔离芯片U5，所述USB隔离芯片U5的UD-_1、UD+_1引脚对应连接主机USB接口的D-、D+引脚，所述USB隔离芯片U5的UD-_2、UD+_2引脚对应连接外接设备的USB接口的D-、D+引脚。
4.根据权利要求2或者3所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述DC-DC隔离模块包括DC-DC芯片U1、DC-DC芯片U2、保险丝F2、电容C4和极性电容C3，所述DC-DC芯片U1、U2并联连接，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚分别连接USB隔离电路输入端地线和UART隔离电路输入端地线，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接保险丝F2后连接电容C4，电容C4和极性电容C3并联连接，其并联连接的一端分别连接USB隔离电路输出端地线和UART隔离电路输出端地线，其并联连接的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述稳压升压电路包括升压芯片MT1，所述升压芯片MT1的EN引脚连接电容C9后接地，电容C9连接电阻R10后连接主机端电压即输入电压VIN，输入电压VIN还连接电容C10后接地，MT1的SW引脚连接电感L1后连接电阻R10和主机端的输入电压VIN，MT1的SW引脚还连接二极管D5后连接外界设备电压即输出电压Vout，MT1的FB引脚连接电阻R12后接地，MT1的FB引脚还连接电阻R13后连接二极管D5阴极，输出电压Vout连接电容C11后接地。
6.根据权利要求5所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述输出电压Vout和输入电压VIN计算公式如下：
Vout＝VIN*R12/(R13+R12)。
7.根据权利要求4所述的一种用于消除信号干扰和电源干扰的USB隔离器，其特征在于：所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD1引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的Vout引脚连接USB隔离芯片U5的VBUS_2引脚，所述DC-DC芯片U1、U2的VIN引脚连接UART隔离芯片U8的VDD2引脚。
8.一种基于权利要求1所述USB隔离器的隔离系统，其特征在于：包括主机、USB隔离器和外接设备，所述外接设备通过USB隔离器连接主机，所述USB隔离器包括UART隔离电路、USB隔离电路、稳压升压电路和用于分离隔离电路两端地线后隔绝干扰的DC-DC隔离模块；
所述UART隔离电路输入端连接主机串口，其输出端连接外界设备串口；
所述USB隔离电路输入端连接主机USB接口，其输出端连接外界设备USB接口；
所述稳压升压电路输入端连接主机电源端，其输出端连接外界设备；
所述UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输入端，UART隔离电路和USB隔离电路输入端的地线分别连接DC-DC隔离模块输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200421 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |