USB隔离模块

由于工作性质，我经常会遇到这样的情况：通过USB连接到电脑的设备不能与电脑直接形成电气连接，否则轻则产生严重干扰，重则导致设备无法正常工作；电脑电源和被测设备的电源之间也可能相互影响。解决办法不多，其中最简单的就是采用电气隔离。


我之前介绍过如何给一台电子负载加装电气隔离。这个方案本身也不复杂，但仍需要改动负载结构，还要安装专用软件。其他可选方案有：
1. 将电脑本身与市电隔离，但还得把显示器、USB集线器和打印机的电源也一并隔离，总之不太现实。
2. 使用WiFi、Bluetooth或Ethernet。隔离效果很好，但实现起来很复杂，而且通常每台设备都得单独改造。
3. 使用USB隔离器。它结构极其简单，从软件和硬件角度看都完全透明，可以按需使用。今天我就来介绍它。

确实，有时只需要暂时隔离电脑和连接的设备，无论是为了正常工作，还是为了排查“到底是谁的问题”。所以我订购的正是这种方案。不过正如我一开始所说，只要条件允许，我还是尽量在设备内部实现隔离，比如我之前在自己的电源中做的那样。

购买时价格是$7.59，另加$1.63运费，总共约9.2美元，不算便宜，不过我也用不着买十来个。
过了一段时间，我收到了这样一个小包裹。其实我还顺便订了两个WiFi-UART模块，但卖家不知为何觉得我不需要，就没发货，真遗憾，又少了一篇有用的评测 :(


和标准火柴盒放在一起对比，方便了解尺寸。


商品页面上的外形尺寸。


做工相当规整。当然也不是不能挑毛病，不过我就不挑了，整体上我很满意。


除了USB接口，电路板上还有三个LED和一个拨动开关。两个LED用于显示工作模式（Low和High speed），以及输出端是否供电；拨动开关则用于选择传输模式，也就是Low和High speed。


板上所有大容量电容都是钽电容，输入端还装有一只400 mA的自恢复保险丝，安全性方面没问题。


通过隔离器连接的设备由隔离式电压转换器供电，这里是5-5 V、功率1 W，也就是说最大负载电流为200 mA。同时，电路板的次级侧也由它供电，所以可用功率并不宽裕。比如我试着接了一块外置SSD，结果它不断循环重启。
我还在另一家店买了五个类似的转换器，用来给VFD显示屏电压表供电，也可以用于其他场合，是个挺实用的小东西。


真正负责隔离的是ADUM3160，旁边还有一个光耦。拨动开关通过它向ADUM的控制输入端发送指令，以设置数据传输速度。


根据制造商的说法（前提是芯片为原装而非仿制品），它可提供最高2.5 kV的电气隔离，数据传输速率为1.5/12 Mbit。


底面没有元件，不过这里有一点需要说明。ADUM3160的规格标明耐压为2.5 kV，但在这个设计中，击穿电压并不由它决定，而是受电压转换器引脚之间的距离限制。我不知道转换器的绝缘能承受多高电压，但第2和第3个引脚之间的距离很小，至少我会在电路板上开一道槽。


我先测量了隔离器两侧地线之间的电容，仪表显示26 pF；随后测量地线与电源线之间的电容，结果同样是26 pF。在我看来，这已经相当不错了。


现在来看看它实际工作起来怎么样。
这次测试没有用我的任何设备，而是接了一只普通U盘。对隔离器来说，接的是什么设备都一样，因为它对系统完全透明，不需要安装驱动程序或其他东西，插上就能用，这正是它吸引我的地方。
初级侧有两个LED，一个蓝色，一个红色。选择高速模式（12 Mbit）时蓝灯亮，选择低速模式（1.5 Mbit）时红灯亮。
但不知为何，只有高速模式能正常工作。低速模式下，电脑能检测到有设备接入，却无法识别它是什么。 我测试了U盘和USB-UART转换器，无论是“热插拔”切换还是重新插拔，都无法在Low speed模式下正常工作。


简单测试一下速度。
1. 读卡器，接入USB 3.0集线器
2. 读卡器，接入电脑的USB 2.0接口
3. USB 2.0 U盘，接入电脑的USB 2.0接口。

我测得的最高速度约为9 Mbit，整体来说还算正常；同时可以看出，直接连接电脑时速度更快。


1、2. High speed模式下的电流比Low speed模式低，分别为15和28 mA。
3. 空载时输出电压比输入电压高约0.1 V。
4、5. 有意思的是，在Low speed模式下，负载电流几乎降到了零（图5）。虽然测试仪仍在工作，说明供电还在，但设备无法被识别，前面已经提到过这一点。
6. 模块的负载能力很弱，负载电流达到60–65 mA时，电压就会跌到4.6 V。本次测试中，隔离器通过USB延长线连接；不过即使直接连接，差别也不大。


先说优点：做工不错，模块运行稳定，数据传输正常，使用起来很方便，只要把它接在电脑和目标设备之间即可，比如电子负载、电源、USB示波器等。
缺点：速度最高只有12 Mbit，因此只适合速度要求不高的设备，而且不知为何只能在一种模式下工作。输出端负载能力较弱，只有约40–50 mA，因此最好给目标设备单独供电。此外，初级侧和次级侧之间的隔离质量也有待改进；可以更换DC-DC隔离器来解决，如果换成更大功率的型号，输出负载能力也会随之提高。

总结：只要了解它的使用限制，这个模块还是有用武之地的，在某些情况下确实能省不少事。不久前我就遇到过一个实际问题：在电子负载、它的电源、被测电源和电脑以某种组合连接时，USB连接每隔5–10秒就会断开一次。USB隔离器本可以解决这个问题，因为不连接电脑时，一切都运行稳定。

本文就到这里，希望这篇评测对你有所帮助。