通用串行總線(USB)集線器隔離器電路

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主要設(shè)計(jì)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(jī)。為此，必須先解決幾個(gè)問(wèn)題。ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同，均能驅(qū)動(dòng)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(huì)改變，而主機(jī)應(yīng)用則不同，必須隨機(jī)應(yīng)變。ADuM4160通過(guò)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(shí)，它正常工作；當(dāng)所連外設(shè)的速度不正確時(shí)，它無(wú)法工作。解決這一問(wèn)題的最佳辦法是將ADuM4160與一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的固定速度外設(shè)端口，利用ADuM4160可以很容易對(duì)其進(jìn)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(gè)設(shè)計(jì)中如何使用一個(gè)雙端口集線器芯片來(lái)隔離兩個(gè)下游主機(jī)端口，這種處理可以使設(shè)計(jì)完全符合USB規(guī)范。

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。利用該器件的挑戰(zhàn)在于必須將其與集線器芯片配對(duì)，以構(gòu)建完全兼容的主機(jī)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：

本應(yīng)用電路的目標(biāo)是像全速外設(shè)一樣對(duì)集線器進(jìn)行隔離。集線器或主機(jī)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。

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(shí)所需要的所有信號(hào)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(diǎn)。此外，還可以使用相同尺寸的4通道版本。本設(shè)計(jì)為全功能型，通過(guò)MIC2026配電開(kāi)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(gè)壁式電源適配器和ADP3339 LDO調(diào)節(jié)器（5 V選項(xiàng)）提供。此器件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。其小尺寸特點(diǎn)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(hù)選項(xiàng)，必須加以確定。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)。所選的集線器芯片支持高速運(yùn)行，但ADuM4160的正常運(yùn)行不允許這種模式。必須通過(guò)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(yùn)行。

可以通過(guò)VBUSx引腳提供5 V電源。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。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(cè)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(shuō)明需要，ADuM4160配置為接受一個(gè)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(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輸入短路至高電平，因此，只要對(duì)集線器芯片施加電源，就會(huì)用到上游上拉電阻。在有些應(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。

本電路還顯示了EOS/ESD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(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)。圖2和圖3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)控制流和對(duì)這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使ADuM4160芯片得以實(shí)現(xiàn)，并且是市場(chǎng)上獨(dú)一無(wú)二的。

該集線器設(shè)計(jì)與上游數(shù)據(jù)連接完全隔離，可承受最高達(dá)5 kV的瞬變電壓。下游端口通過(guò)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(zhǔn)正確協(xié)商速度。此設(shè)計(jì)中還包括電流切換和限制功能，還為其它輸出保護(hù)器件預(yù)留了位置，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要選擇安裝。

以下所列為適用的測(cè)試參考文件：

圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開(kāi)的眼圖，并遠(yuǎn)離禁入?yún)^(qū)域。但有一個(gè)轉(zhuǎn)換是例外，它侵入了禁入?yún)^(qū)。對(duì)于這種測(cè)試認(rèn)證來(lái)說(shuō)這是可以接受的。針對(duì)低速評(píng)估也獲得了類似的數(shù)據(jù)。評(píng)估板的照片如圖4所示。欲了解布局文件，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)： www.analog.com/CN0158_Board_Layout.