分享一種USB外設(shè)隔離器電路設(shè)計(jì)方法

通用串行總線(USB)正迅速成為大部分PC外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口。由于它具有出色的速度、靈活性，并且支持設(shè)備熱插拔，因而正在取代RS-232和并行打印機(jī)端口。

工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備制造商也非常希望使用這種總線，但苦于沒(méi)有很好的方式來(lái)為控制危險(xiǎn)電壓的機(jī)器連接或者醫(yī)療應(yīng)用中的低泄漏防去顫連接提供必要的隔離，導(dǎo)致應(yīng)用推廣相當(dāng)緩慢。

ADuM4160提供了一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)療外設(shè)隔離緩沖器。需要解決的挑戰(zhàn)包括：

直接在USB D+和D?線路中隔離，以便使用微處理器中的現(xiàn)有USB基礎(chǔ)架構(gòu)。

針對(duì)不需要外部控制線路的控制數(shù)據(jù)流實(shí)施自動(dòng)控制方案。

提供醫(yī)用級(jí)隔離。

支持完整外設(shè)達(dá)到USB-IF認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信號(hào)速率。

支持靈活的電源配置。

圖1所示的電路隔離了一個(gè)支持USB接口的外設(shè)。由于本電路沒(méi)有明確定義外設(shè)，因此隔離器副邊的電源已作為解決方案的一部分提供。如果在外設(shè)的PCB上構(gòu)建該電路，則電源可以從外設(shè)的離線電源、電池或者USB電纜總線電源獲得，具體取決于應(yīng)用需要。

這里所示的應(yīng)用電路是許多醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的典型電路。

圖 1. 圖1. USB外設(shè)隔離器電路

電路描述

上游USB連接器所用的電源從USB電纜提供的5 V VBUS電壓獲得。外設(shè)必須提供未使用ADuM4160時(shí)所需要的所有信號(hào)和上拉/下拉電阻。下游側(cè)的電源由一個(gè)壁式電源適配器和 ADP3338 LDO調(diào)節(jié)器（5 V選項(xiàng)）提供。此LDO可提供非常低的壓差，從而降低了對(duì)壁式電源適配器的調(diào)節(jié)要求。其小尺寸(SOT-223)特點(diǎn)和1 A電流能力非常適合這種外設(shè)可能需要電纜供電才能工作的通用電路。

ADuM4160具有多種電源、速度和保護(hù)選項(xiàng)，必須加以確定。首先是外設(shè)的運(yùn)行速度。外設(shè)以三種速度之一運(yùn)行：低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。ADuM4160不支持高速運(yùn)行，會(huì)阻止用于協(xié)商該速度的握手信號(hào)。高速模式以全速配置開(kāi)始，外設(shè)通過(guò)一個(gè)稱為高速線性調(diào)頻的過(guò)程請(qǐng)求高速支持。ADuM4160忽略該高速線性調(diào)頻，因此高速運(yùn)行請(qǐng)求永遠(yuǎn)不會(huì)傳遞給主機(jī)，外設(shè)繼續(xù)以全速運(yùn)行。

USB總線上的外設(shè)速度或者為低速，或者為全速。所需的速度由具體外設(shè)決定，必須通過(guò)SPU和SPD引腳的狀態(tài)將ADuM4160設(shè)置為與此速度匹配。在目前的原理圖中，SPU和SPD引腳連接到的3.3 V內(nèi)部調(diào)節(jié)電源VDD1和VDD2，從而將器件設(shè)置為全速運(yùn)行。

5 V電源可以通過(guò)VBUSx引腳提供，3.3 V信號(hào)電壓由內(nèi)部3.3 V調(diào)節(jié)器在VDDx引腳產(chǎn)生?；蛘?，也可以將該3.3 V電源提供給VBUSx和VDDx，器件直接使用外部電源，從而禁用內(nèi)部調(diào)節(jié)器。提供此選項(xiàng)是為了讓ADuM4160既能采用5 V USB電纜供電，也能采用外設(shè)提供的5 V或3.3 V電源軌供電。所示的電路接受各側(cè)的5 V電源，內(nèi)部調(diào)節(jié)器為活動(dòng)狀態(tài)。

ADuM4160還提供一個(gè)選項(xiàng)，可以在外設(shè)控制下延遲應(yīng)用上游上拉電阻。此功能由PIN輸入控制。在本應(yīng)用中，PIN輸入通過(guò)跳線接高電平，因此，只要施加外設(shè)電源就會(huì)用到上游上拉電阻。在其它應(yīng)用中，可以將它連接到一個(gè)控制器的GPIO引腳，可以采用一個(gè)固定延遲電路，或者可以像本電路一樣連接。如何使用此功能取決于設(shè)計(jì)人員。

本電路還包括保護(hù)器件。這些器件選自那些提供各種不同器件的制造商，所選的特定器件允許用0 Ω短路電阻予以代替，以便將其從電路中移除。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮保護(hù)器件的選擇，包括不需要外部保護(hù)到需要全套瞬變抑制器和濾波器元件的情況。本電路所包括的元件顯示了典型的高度保護(hù)配置。

當(dāng)電路工作時(shí)，會(huì)進(jìn)行包檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)從隔離的一側(cè)傳送到另一側(cè)。下面所示的數(shù)據(jù)分別以時(shí)域數(shù)據(jù)和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中，需要注意的特點(diǎn)是包開(kāi)始時(shí)為無(wú)源空閑狀態(tài)，它會(huì)轉(zhuǎn)換為受驅(qū)J狀態(tài)，還有處理結(jié)束時(shí)的包末尾顯示為單端0狀態(tài)，其后是空閑J狀態(tài)。正是這種自動(dòng)控制流和這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使得ADuM4160芯片成為市場(chǎng)上罕有的。

下面的圖2和圖3所示數(shù)據(jù)是在USB-IF認(rèn)證過(guò)程中產(chǎn)生的。圖1顯示一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)包從ADuM4160上游端口傳輸?shù)街鳈C(jī)。需要注意的是前置空閑狀態(tài)，其中無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)保持空閑J狀態(tài)。包的中心部分是J和K的混合狀態(tài)。包的右側(cè)是EOP（分組結(jié)束）標(biāo)志，它是一個(gè)單端0，其后是一個(gè)受驅(qū)J狀態(tài)，再轉(zhuǎn)換為空閑J狀態(tài)。

圖2. ADuM4160上游端口驅(qū)動(dòng)的全速測(cè)試數(shù)據(jù)包流

圖 3.顯示禁入?yún)^(qū)域的全速眼圖

以下是適用的測(cè)試參考：

上游全速信號(hào)質(zhì)量測(cè)試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.1節(jié)。

上游全速上升時(shí)間測(cè)試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.2節(jié)。

上游全速下降時(shí)間測(cè)試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.2節(jié)。

圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開(kāi)的眼圖，遠(yuǎn)離禁入?yún)^(qū)域。針對(duì)低速評(píng)估也獲得了類似的數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用電路的照片如圖4。ADuM4160評(píng)估板（照片左側(cè)）連接到帶I2C兼容接口的4通道、12/10/8位ADC AD7991的評(píng)估板。ADC評(píng)估板充當(dāng)外設(shè)，通過(guò)USB端口連接到PC（以便測(cè)試和評(píng)估ADC）。這就在ADuM4160 USB端口與ADC評(píng)估板之間提供了整體隔離。

圖4. ADuM4160 USB評(píng)估板連接到AD7991評(píng)估板USB端口的照片

本電路的邊沿速度非?？?，為使系統(tǒng)通過(guò)EMI/RFI測(cè)試，必須使用出色的布局、去耦和接地技術(shù)。

常規(guī)變化

根據(jù)系統(tǒng)要求，可以使用其它線性調(diào)節(jié)器代替。詳細(xì)信息請(qǐng)參考 ADIsimPower 設(shè)計(jì)工具。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路筆記所述的ADuM4160評(píng)估板隔離適配器用于評(píng)估和測(cè)試。測(cè)試設(shè)置使用的電路板詳細(xì)原理圖和照片參見(jiàn)圖1和圖4。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：運(yùn)行Windows XP或Vista的PC，USB數(shù)據(jù)端口連接，ADuM4160評(píng)估板隔離適配器，EVAL-7991EBZ評(píng)估板和AD7991評(píng)估軟件，兩條USB電纜，高速數(shù)字示波器。

開(kāi)始使用

除了本電路筆記所述測(cè)試設(shè)置的電路和原理圖之外，關(guān)于ADuM4160評(píng)估板隔離適配器的詳細(xì)信息，包括原理圖、Gerber和物料清單，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.analog.com/CN0160-DesignSupport。

功能框圖

關(guān)于所述測(cè)試設(shè)置的原理圖和其他信息，請(qǐng)參見(jiàn)圖1。

審核編輯：劉清