通用串行總線(xiàn)(USB)集線(xiàn)器隔離器電路

通用串行總線(xiàn)(USB)正迅速成為大部分PC外設的標準接口。由于它具有出色的速度、靈活性，并且支持設備熱插拔，因而正在取代RS-232和并行打印機端口。工業(yè)和醫療設備制造商也非常希望使用這種總線(xiàn)，但苦于沒(méi)有很好的方式來(lái)為控制危險電壓的機器連接或者醫療應用中的低泄漏防去顫連接提供必要的隔離，導致應用推廣相當緩慢。

ADuM4160主要設計用作USB外設的隔離元件。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(gè)問(wèn)題。ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同，均能驅動(dòng)USB電纜，但下游緩沖器還必須能夠根據與之相連的全速或低速外設調整速度。

在構建專(zhuān)用外設接口的應用中，速度是已知的并且不會(huì )改變，而主機應用則不同，必須隨機應變。ADuM4160通過(guò)引腳以硬連線(xiàn)方式確定單一速度。因此，當插入下游側的外設速度正確時(shí)，它正常工作；當所連外設的速度不正確時(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(xiàn)器控制器相結合使用。

可以將集線(xiàn)器控制器的上游側看作是一個(gè)標準的固定速度外設端口，利用ADuM4160可以很容易對其進(jìn)行隔離，而下游端口的速度則由集線(xiàn)器控制器處理。集線(xiàn)器控制器轉換不同速度的外設，以便與上游端口速度相匹配。圖1電路顯示在某個(gè)設計中如何使用一個(gè)雙端口集線(xiàn)器芯片來(lái)隔離兩個(gè)下游主機端口，這種處理可以使設計完全符合USB規范。

ADuM4160提供了一種經(jīng)濟簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現工業(yè)和醫療外設隔離緩沖器。利用該器件的挑戰在于必須將其與集線(xiàn)器芯片配對，以構建完全兼容的主機端口。與任何外設隔離一樣，ADuM4160和集線(xiàn)器提供如下功能特性：

本應用電路的目標是像全速外設一樣對集線(xiàn)器進(jìn)行隔離。集線(xiàn)器或主機功能要求為各下游端口提供2.5 W功率。隔離器下游側的電源以及集線(xiàn)器和端口的電源是作為解決方案的一部分而提供。本應用電路是許多醫療和工業(yè)應用的典型電路。

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(xiàn)器芯片必須提供未使用ADuM4160時(shí)所需要的所有信號和上拉/下拉電阻。所選的集線(xiàn)器芯片為 SMSC USB2512雙端口USB集線(xiàn)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。本設計為全功能型，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(xiàn)穩壓電源，可為下游各通道提供2.5 W功率。下游側的電源由一個(gè)壁式電源適配器和ADP3339 LDO調節器（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節要求。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(huì )阻止用于協(xié)商該速度的握手信號。所選的集線(xiàn)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(guò)SPU和SPD引腳的狀態(tài)將ADuM4160設置為以全速工作。在目前的原理圖中，SPU和SPD引腳連接到3.3 V穩壓電源VDD1和VDD2，從而將器件設置為全速運行。

可以通過(guò)VBUSx引腳提供5 V電源。3.3 V信號電壓由內部3.3 V調節器在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，禁用內部調節器。出于說(shuō)明需要，ADuM4160配置為接受一個(gè)3.3 V外部電源，并且旁路內部調節器。VBUS2和VDD2引腳短路連在一起，由ADP3330 LDO調節器產(chǎn)生的3.3 V外部電壓供電。

ADuM4160還提供一個(gè)選項，可以在外設控制下延遲應用上游上拉電阻。此功能由PIN輸入控制。在本應用中，PIN輸入短路至高電平，因此，只要對集線(xiàn)器芯片施加電源，就會(huì )用到上游上拉電阻。在有些應用中，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。設計人員應當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。本應用電路所包括的元件是可以使用的典型元件。

當電路工作時(shí)，會(huì )進(jìn)行包檢測，并將數據從隔離的一側傳送到另一側。圖2和圖3所示的數據分別以時(shí)域數據和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。

在實(shí)時(shí)數據中，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 )轉換為受驅J狀態(tài)，還有處理結束時(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)控制流和對這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使ADuM4160芯片得以實(shí)現，并且是市場(chǎng)上獨一無(wú)二的。

該集線(xiàn)器設計與上游數據連接完全隔離，可承受最高達5 kV的瞬變電壓。下游端口通過(guò)離線(xiàn)電源供電，以支持全功率應用。低速、全速和高速外設可以任意組合連接到下游端口，集線(xiàn)器控制器根據USB標準正確協(xié)商速度。此設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留了位置，設計人員可以根據需要選擇安裝。

以下所列為適用的測試參考文件：

圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開(kāi)的眼圖，并遠離禁入區域。但有一個(gè)轉換是例外，它侵入了禁入區。對于這種測試認證來(lái)說(shuō)這是可以接受的。針對低速評估也獲得了類(lèi)似的數據。評估板的照片如圖4所示。欲了解布局文件，請訪(fǎng)問(wèn)： www.analog.com/CN0158_Board_Layout.