隔離 USB 連接項目

在過去大量從事微控制器項目時，我了解到計算機 USB 端口可能是脆弱的東西。簡單地在端口上短接幾十伏電壓只會殺死它們——還有很多其他創(chuàng)造性的方法可以破壞主板上的 USB 功能！

我在市場上看到過 USB 隔離設(shè)備，它們正好解決了這類問題（開發(fā)人員對他們的設(shè)備做得不好），但是，我從來沒有真正花時間購買。它總是看起來太貴了……直到下一個 USB 端口死了。最終，您會考慮必須購買新主板，并最終意識到從長遠來看這些設(shè)備可能物有所值。

話雖如此，在過去的兩年里，我一直有建立自己的 USB 隔離器的想法。您可以輕松購買處理 USB 2.0 全速的數(shù)字隔離器 IC，也可以購買輸出與運行電壓相同的隔離電源。因此，在本文中，我將實現(xiàn)我擁有 USB 端口隔離設(shè)備的夢想——這當然早該實現(xiàn)了。

這應該是一篇相當簡單的文章，討論了一個相當簡單的構(gòu)建，但如果你和我一樣，并且在處理項目時傾向于以新的和創(chuàng)造性的方式打破事物，我覺得你可能會發(fā)現(xiàn)這很有用。和我所有的其他項目一樣，這個項目當然會在GitHub上可用并且是開源的，所以你可以隨心所欲地使用它；制造一個，出售一個，或使用該設(shè)計為您自己的項目添加 USB 隔離。

對于這個項目，我又回到使用我的開源 Altium Library，所以在這個項目的 GitHub 存儲庫中沒有包含的庫文件，就像我以前的項目一樣。您可以在庫存儲庫中找到 SchLib 和 PcbLib 文件，或者如果您想在自己的項目中實現(xiàn)此設(shè)計，則可以獲得一個免費帳戶來訪問該庫。

我只關(guān)注 USB 2.0，因為我所有的 ARM 程序員和開發(fā)工具包都在 USB 2.0 上運行。目前，我擁有的任何東西都不能在 USB 3.0 上運行，而且 ARM JTAG/單線調(diào)試設(shè)備不需要比現(xiàn)有帶寬更多的帶寬。這在未來可能會改變，但就目前而言，USB 2.0 隔離器將提供我需要的所有隔離，希望能夠避免我的 USB 端口受到進一步的傷害。

隔離 USB 端口將是一個兩個 IC/設(shè)備的過程，因為我們需要隔離電源線和數(shù)據(jù)線。開發(fā)板上燒壞的東西可能會使高電壓或瞬變返回計算機并導致問題。如果我們正在研究“尚未完全實現(xiàn)”的 RF 板或其他具有大量潛在電氣噪聲的電路板，噪聲也會降低電源連接并對計算機的其他外圍設(shè)備造成嚴重破壞。

由于這些問題，我正在尋找可以提供完全電氣隔離的東西，以使計算機免受我傾向于扔給它的壞東西（工程術(shù)語）的影響。在過去的項目中，我使用 Murata NXE 和 NXJ 系列電壓隔離模塊取得了巨大成功。它們是很好的小組件，包括完全隔離電源所需的一切。NXE2 系列特別令人感興趣，因為額定功率為 2 瓦，它幾乎能夠提供 USB 2.0 規(guī)范的全部 500mA。我之前沒有用開發(fā)板最大化 USB 端口，好吧，至少不是正常使用，所以我覺得這應該足夠了。它們的價格合適，并且它們的隔離規(guī)格非常好。

為了提供 5V 到 5V 的隔離，我將使用 Murata NXE2S0505MC。

NXE2S0505MC電源隔離原理圖

手冊建議使用 15uH 電感和 4.7uF 電容器組合作為該穩(wěn)壓器型號的輸入濾波器，以確保電磁兼容性，這非常重要。輸出濾波器也是電壓隔離器手冊中推薦的，減少了我在基于 RF 的項目中重視的輸出電壓紋波。

為了知道什么時候出現(xiàn)了可怕的錯誤，我還在原理圖中添加了兩個 LED。輸入端的綠色會告訴我們有來自計算機的電源，并且我們沒有導致 USB 端口因過流限制而關(guān)閉。藍色的會告訴我們我們還沒有（還）殺死電壓隔離器。

我將這些 LED 的電流限制為 5mA，因為開發(fā)人員工具幾乎總是有令人眼花繚亂的 LED，我不希望我的電路板成為我視覺問題的一部分。這確實有一個缺點：我不能聲稱開發(fā)工具的 LED 太亮了，以至于我看不到我的示波器探頭已經(jīng)從我正在檢查的焊盤上漂移并短路了 USB 線！

將電源線隔離后，我們需要一個可以隔離 USB 數(shù)據(jù)線并仍然允許全數(shù)據(jù)速率通過它們的 IC。ADI 公司生產(chǎn)了一些非常好的隔離器件，其中ADUM4160BRIZ是一款專為 12Mbps 雙向 USB 數(shù)據(jù)設(shè)計的器件。借助磁耦合和 5000Vrms 的隔離，即使是最有創(chuàng)造力的工程師也很難通過該設(shè)備破壞其 USB 端口。

ADUM4160BRIZ USB 信號隔離原理圖

我們通過 5V USB 電源為設(shè)備的兩側(cè)供電，因此 VDD 引腳需要有一個旁路/去耦電容器以穩(wěn)定運行。我還拉起速度設(shè)置引腳，以便以全 USB 速度運行。

由于我希望以全 USB 速度運行，因此我們也需要在設(shè)備兩側(cè)的兩條數(shù)據(jù)線上都有 24 歐姆的終端電阻。這就是隔離 USB 數(shù)據(jù)連接的全部內(nèi)容 — 如此簡單！

將數(shù)據(jù)線和電源隔離開后，您可能會覺得是時候布置電路板了——但我們還沒有完成。還有一點保護要添加到電路板上，那就是來自 Nexperia 的 USB 專用 TVS 二極管。這應該有助于防止靜電放電引起問題。

PRTR5V0U2X,215 ESD保護原理圖

我還使用 1uF 陶瓷電容器為電壓線增加了一點額外的電容。隔離器的輸入和輸出都具有相同的 TVS 二極管。

對于連接器，我為計算機端添加了一個 USB Micro-B 連接器，因為盡管 USB-C 的興起，它可能是該設(shè)備用戶可能在辦公桌上使用的最常見的電纜。

對于輸出端，我覺得 USB 2.0 A 連接效果最好。這將允許我使用最常用的電纜來充分利用這個隔離器。

由于構(gòu)建此板所需的組件很少，因此為大多數(shù)構(gòu)建布局非常快速且輕松。我可以把這個板子做得更小，但是我需要移動 TVS 二極管，這可能會降低它們的效率。在非常干燥的氣候中生活了幾年后，我開始非常欣賞 TVS 二極管保護電子設(shè)備免受傷害的作用，所以我更希望電路板加長10 毫米 ，并最大限度地發(fā)揮TVS 二極管的功能最好的。

一切都安排好了，現(xiàn)在我們需要繼續(xù)進行阻抗控制和布線

USB 線應具有 90Ω 差分阻抗的差分對。我們可以在層堆棧管理器中設(shè)置阻抗配置文件，但首先，我們需要設(shè)置層堆棧。我將在 0.8mm FR-4 中制作這些板，因此我將層堆疊設(shè)置為這樣。

一個簡單的堆棧，帶有兩面涂有 1 盎司銅的 FR-4 電介質(zhì)

然后，我們可以使用底部的阻抗選項卡為 90Ω創(chuàng)建一個新的 USB 差分對。

阻抗曲線 D90 (USB) 具有 90Ω 的差分阻抗，具有 10% 的容差

對于像這樣只有一個差分對阻抗的電路板，我發(fā)現(xiàn)將濾波器用于差分對類而不是特定的差分對更容易。這允許我用一個規(guī)則匹配所有差分對。應用我們在層管理器中設(shè)置的阻抗配置文件就像單擊“使用阻抗配置文件”復選框一樣簡單。

PCB 規(guī)則和約束編輯器可以通過菜單設(shè)計 > 規(guī)則訪問

為了保持隔離，我們還應該指定Altium Designer 20引入的新爬電距離規(guī)則。該規(guī)則將確保整個電路板上不同地平面之間的距離永遠不會小于 2.5 毫米。我特別使用 2.5 毫米，因為這是板上兩個隔離設(shè)備提供的最小爬電距離。

Altium Designer 20 在規(guī)則編輯器中的新爬電距離規(guī)則

接下來，我們可以將間隙規(guī)則設(shè)置為相同的 2.5mm。新規(guī)則的優(yōu)先級需要增加才能生效。在下面的屏幕截圖中，您可以看到它位于列表的底部，這意味著它已被其他規(guī)則取代。

當我布置電路板時，出于美觀原因，我決定將連接器移到電路板的中心線上。該新蛇路由風格的作品與像USB軌道差分對真的很棒。不幸的是，我的 USB 走線不是很完美，因為我不得不將微控制器一側(cè)放到底層才能將其連接到隔離器引腳。這不應該影響隔離器的操作或 USB 性能，因為這是一個相當短的偏差。

USB 數(shù)據(jù)線采用蛇形布線

在這一點上，電路板看起來很完整，但是，它可以通過幾個安裝孔來完成。這將允許使用支架或未來的外殼來進一步防止 ESD。

兩個安裝孔可能方便安裝

在 3D 視圖中，我可以看到電感器可能離安裝孔太近了！

輕輕一推，一切看起來都有良好的間隙并且易于組裝。

電路板的最終 3D 視圖

盡管這個項目很簡單，但我覺得它會成為一個讓我真正頭疼的板子。如果您想構(gòu)建自己的開發(fā)板，您可以在GitHub上找到該開發(fā)板的Altium Designer文件。我將訂購一些板子，為那些傾向于使用正在開發(fā)的電子產(chǎn)品作為攻擊計算機的武器的朋友制作一些額外的圣誕禮物。