通用串行總線(USB)電纜隔離器電路 (CN0159)

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RS232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，它也可以用于實(shí)現(xiàn)隔離電纜功能。為此，必須先解決幾個(gè)問題。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。上游連接必須像外設(shè)一樣工作，下游連接必須像主機(jī)一樣工作。

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，必須根據(jù)檢測(cè)所連接的是低速還是全速設(shè)備而隨機(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。解決這一問題的最佳辦法是將 ADuM4160與一個(gè)集線器控制器相結(jié)合。

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很容易對(duì)其進(jìn)行隔離，而下游端口則全部由集線器控制器處理。但在許多情況下，雖然不能認(rèn)定為完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)，但從實(shí)用角度看，單一速度電纜是可以接受的，特別是在使用定制連接器的情況下，這樣就不會(huì)與兼容器件相混淆?？梢匀コ€器芯片，這樣設(shè)計(jì)將變得非常小且簡(jiǎn)單。

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)的隔離緩沖器。利用該器件的挑戰(zhàn)在于必須將其與ADuM5000等小型隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器配對(duì)，以利用此隔離緩沖器構(gòu)建總線供電的電纜隔離器。與任何器件隔離一樣，ADuM4160提供如下功能特性：

1. 在上游直接隔離電纜的USB D+和D?線路。
2. 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。
3. 提供醫(yī)用級(jí)隔離。
4. 支持全速或低速信號(hào)速率。
5. 支持通過(guò)電纜提供隔離電源。

圖1所示應(yīng)用電路的目標(biāo)是隔離一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)USB接口的外設(shè)。由于沒有效率為100%的電源轉(zhuǎn)換器可用來(lái)跨越隔離傳輸總線電壓，因此無(wú)法獲得一條完全兼容的總線供電電纜。此外，轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流不符合USB標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)電流要求，而且ADuM4160還有速度檢測(cè)限制。能夠?qū)崿F(xiàn)的是固定速度或開關(guān)控制速度的電纜，它可以向下游外設(shè)提供適中的功率。不過(guò)，這是一種定制應(yīng)用，不完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)。

圖1. USB電纜隔離器電路

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?？偩€電壓還可驅(qū)動(dòng) ADuM5000，用來(lái)產(chǎn)生VBUS2電壓，供ADuM4160的下游側(cè)使用，并為外設(shè)提供最高100 mA的電源。選擇ADuM5000的原因是它具有高隔離電壓和小尺寸的特點(diǎn)。它能夠?yàn)槭髽?biāo)、鍵盤和記憶棒等小型總線供電設(shè)備提供足夠的工作電源。由于該器件使用芯片級(jí)微變壓器，內(nèi)部開關(guān)頻率非常高，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須在電纜上使用鐵氧體磁珠，并遵循應(yīng)用筆記AN-0971中提出的建議，使電磁輻射影響最小。為使系統(tǒng)通過(guò)EMI/RFI測(cè)試，必須使用特殊布局、去耦和接地技術(shù)。相關(guān)指導(dǎo)信息請(qǐng)參考教程MT-031 和教程MT-101。欲了解ADuM4160 USB電纜隔離板的完整布局和Gerber文件，請(qǐng)?jiān)L問：www.analog.com/CN0159_Board_Layout。

圖2. 隔離電纜盒

ADuM4160隔離電纜應(yīng)用具有多種電源、總線速度和ESD/EOS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)。高速模式以全速配置開始，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)自動(dòng)繼續(xù)以全速運(yùn)行。本應(yīng)用電路包括一個(gè)開關(guān)和一個(gè)單通道隔離器，允許用戶通過(guò)設(shè)置SPU和SPD引腳來(lái)選擇電纜速度：全速或低速。如果單速運(yùn)行完全滿足需要，則此功能為可選項(xiàng)。

VBUSx引腳提供電源。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。ADuM4160支持其它電源配置，相關(guān)內(nèi)容詳見其它電路筆記。在圖1所示的電路中，ADuM4160的上游側(cè)和下游側(cè)均被設(shè)置為從VBUSx線路和內(nèi)部調(diào)節(jié)器獲得電源。

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，只要施加外設(shè)電源，就會(huì)用到上游上拉電阻。

本電路還使用了保護(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顯示了可以使用何種類型的保護(hù)。

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3和圖4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ADuM4160芯片得以實(shí)現(xiàn)，并且是市場(chǎng)上獨(dú)一無(wú)二的。

該電纜設(shè)計(jì)與上游數(shù)據(jù)連接完全隔離，可承受最高達(dá)2.5 kV的瞬變電壓。未來(lái)的isoPower?模塊將支持最高5 kV醫(yī)用級(jí)電纜隔離。下游端口由上游VBUS1線路供電，應(yīng)用電路可用的電源限制在500 mA (5 V)，這是標(biāo)準(zhǔn)USB端口的最大可用功率，足以運(yùn)行帶100 mA外部負(fù)載的ADuM5000。低速、全速和高速外設(shè)可以連接到下游端口，但電纜的全速和低速模式必須采用手動(dòng)方式切換。該設(shè)計(jì)依賴ADuM5000的內(nèi)部短路電路來(lái)保證安全。

圖3和圖4所示數(shù)據(jù)是在USB-IF認(rèn)證過(guò)程中產(chǎn)生的。圖3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)。包的中心是J和K的混合狀態(tài)。包的右側(cè)是EOP（包結(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)。

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)。

圖3. ADuM4160上游端口驅(qū)動(dòng)的全速測(cè)試包流量

圖4. 顯示禁入?yún)^(qū)域的全速眼圖