電路功能與優(yōu)勢
通用串行總線(USB)正迅速成為大部分PC外設(shè)的標(biāo)準接口。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，但苦于沒有很好的方式來為控制危險電壓的機器連接或者醫(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主要設(shè)計用作USB外設(shè)的隔離元件。但在某些情況下，它也可以用于隔離主機。為此，必須先解決幾個問題。ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同，均能驅(qū)動USB電纜，但下游緩沖器還必須能夠根據(jù)與之相連的全速或低速外設(shè)調(diào)整速度。
在構(gòu)建專用外設(shè)接口的應(yīng)用中，速度是已知的并且不會改變，而主機應(yīng)用則不同，必須隨機應(yīng)變。ADuM4160通過引腳以硬連線方式確定單一速度。因此，當(dāng)插入下游側(cè)的外設(shè)速度正確時，它正常工作;當(dāng)所連外設(shè)的速度不正確時，它無法工作。解決這一問題的最佳辦法是將ADuM4160與一個集線器控制器相結(jié)合使用。
可以將集線器控制器的上游側(cè)看作是一個標(biāo)準的固定速度外設(shè)端口，利用ADuM4160可以很容易對其進行隔離，而下游端口的速度則由集線器控制器處理。集線器控制器轉(zhuǎn)換不同速度的外設(shè)，以便與上游端口速度相匹配。圖1電路顯示在某個設(shè)計中如何使用一個雙端口集線器芯片來隔離兩個下游主機端口，這種處理可以使設(shè)計完全符合USB規(guī)范。
圖1. 隔離USB集線器電路
ADuM4160提供了一種經(jīng)濟簡單的方式來實現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)療外設(shè)隔離緩沖器。利用該器件的挑戰(zhàn)在于必須將其與集線器芯片配對，以構(gòu)建完全兼容的主機端口。與任何外設(shè)隔離一樣，ADuM4160和集線器提供如下功能特性：
1.在上游直接隔離集線器芯片的USB D+和D?線路，使集線器能夠管理下游主機端口活動。
2.針對不需要外部控制線路的控制數(shù)據(jù)流實施自動控制方案。
3.提供醫(yī)用級隔離。
4.允許創(chuàng)建一個或多個符合USB-IF認證標(biāo)準的主機端口。
5.支持全速信號速率。
6.支持靈活的電源配置。
本應(yīng)用電路的目標(biāo)是像全速外設(shè)一樣對集線器進行隔離。集線器或主機功能要求為各下游端口提供2.5 W功率。隔離器下游側(cè)的電源以及集線器和端口的電源是作為解決方案的一部分而提供。本應(yīng)用電路是許多醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的典型電路。
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。集線器芯片必須提供未使用ADuM4160時所需要的所有信號和上拉/下拉電阻。所選的集線器芯片為 SMSC USB2512雙端口USB集線器控制器，它具有低成本和小尺寸的特點。此外，還可以使用相同尺寸的4通道版本。本設(shè)計為全功能型，通過MIC2026配電開關(guān)支持各通道的限流功能，并具有充足的離線穩(wěn)壓電源，可為下游各通道提供2.5 W功率。下游側(cè)的電源由一個壁式電源適配器和ADP3339 LDO調(diào)節(jié)器(5 V選項)提供。此器件可提供非常低的壓差，從而降低了對壁式電源適配器的調(diào)節(jié)要求。其小尺寸特點和1.5 A電流能力非常適合這種通用電路，其下游外設(shè)可能需要電纜的全部功率才能工作。
ADuM4160具有多種電源、速度和保護選項，必須加以確定。外設(shè)以三種速度之一運行：低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。ADuM4160不支持高速運行，會阻止用于協(xié)商該速度的握手信號。所選的集線器芯片支持高速運行，但ADuM4160的正常運行不允許這種模式。必須通過SPU和SPD引腳的狀態(tài)將ADuM4160設(shè)置為以全速工作。在目前的原理圖中，SPU和SPD引腳連接到3.3 V穩(wěn)壓電源VDD1和VDD2，從而將器件設(shè)置為全速運行。
可以通過VBUSx引腳提供5 V電源。3.3 V信號電壓由內(nèi)部3.3 V調(diào)節(jié)器在VDDx引腳產(chǎn)生。另一種選擇是直接向VBUSx和VDDx提供3.3 V電源。器件能夠檢測到這種配置，并直接使用3.3 V電源，禁用內(nèi)部調(diào)節(jié)器。出于說明需要，ADuM4160配置為接受一個3.3 V外部電源，并且旁路內(nèi)部調(diào)節(jié)器。VBUS2和VDD2引腳短路連在一起，由ADP3330 LDO調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的3.3 V外部電壓供電。
ADuM4160還提供一個選項，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輸入短路至高電平，因此，只要對集線器芯片施加電源，就會用到上游上拉電阻。在有些應(yīng)用中，可以將它連接到一個控制器的GPIO引腳，可以采用一個固定延遲電路，或者可以像本電路一樣連接。如何使用此功能取決于設(shè)計人員。
本電路還顯示了EOS/ESD保護器件。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)計人員應(yīng)當(dāng)仔細考慮保護器件選擇，包括不需要外部保護到需要全套瞬變抑制器和濾波器元件的各種情況。本應(yīng)用電路所包括的元件是可以使用的典型元件。
當(dāng)電路工作時，會進行包檢測，并將數(shù)據(jù)從隔離的一側(cè)傳送到另一側(cè)。圖2和圖3所示的數(shù)據(jù)分別以時域數(shù)據(jù)和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。
圖2. ADuM4160上游端口驅(qū)動的全速測試包流量
在實時數(shù)據(jù)中，需要注意的特點是包開始時為無源空閑狀態(tài)，它會轉(zhuǎn)換為受驅(qū)J狀態(tài)，還有處理結(jié)束時的包末尾顯示為單端0狀態(tài)，其后是空閑J狀態(tài)。正是這種自動控制流和對這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使ADuM4160芯片得以實現(xiàn)，并且是市場上獨一無二的。
該集線器設(shè)計與上游數(shù)據(jù)連接完全隔離，可承受最高達5 kV的瞬變電壓。下游端口通過離線電源供電，以支持全功率應(yīng)用。低速、全速和高速外設(shè)可以任意組合連接到下游端口，集線器控制器根據(jù)USB標(biāo)準正確協(xié)商速度。此設(shè)計中還包括電流切換和限制功能，還為其它輸出保護器件預(yù)留了位置，設(shè)計人員可以根據(jù)需要選擇安裝。
圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開的眼圖，并遠離禁入?yún)^(qū)域。但有一個轉(zhuǎn)換是例外，它侵入了禁入?yún)^(qū)。對于這種測試認證來說這是可以接受的。針對低速*估也獲得了類似的數(shù)據(jù)。*估板的照片如圖4所示。
圖3. 顯示禁入?yún)^(qū)域的全速眼圖
圖4. ADuM4160隔離USB集線器*估板
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