通用串行總線(xiàn)(USB)電纜隔離器電路 (CN0159)

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RS232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，它也可以用于實(shí)現隔離電纜功能。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。上游連接必須像外設一樣工作，下游連接必須像主機一樣工作。

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，必須根據檢測所連接的是低速還是全速設備而隨機應變。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。

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很容易對其進(jìn)行隔離，而下游端口則全部由集線(xiàn)器控制器處理。但在許多情況下，雖然不能認定為完全符合USB標準，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€(xiàn)器芯片，這樣設計將變得非常小且簡(jiǎn)單。

ADuM4160提供了一種經(jīng)濟簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)現工業(yè)和醫療外設的隔離緩沖器。利用該器件的挑戰在于必須將其與ADuM5000等小型隔離DC-DC轉換器配對，以利用此隔離緩沖器構建總線(xiàn)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(xiàn)路。
2. 針對不需要外部控制線(xiàn)路的控制數據流實(shí)施自動(dòng)控制方案。
3. 提供醫用級隔離。
4. 支持全速或低速信號速率。
5. 支持通過(guò)電纜提供隔離電源。

圖1所示應用電路的目標是隔離一個(gè)已經(jīng)實(shí)現USB接口的外設。由于沒(méi)有效率為100%的電源轉換器可用來(lái)跨越隔離傳輸總線(xiàn)電壓，因此無(wú)法獲得一條完全兼容的總線(xiàn)供電電纜。此外，轉換器的靜態(tài)電流不符合USB標準的待機電流要求，而且ADuM4160還有速度檢測限制。能夠實(shí)現的是固定速度或開(kāi)關(guān)控制速度的電纜，它可以向下游外設提供適中的功率。不過(guò)，這是一種定制應用，不完全符合USB標準。

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€(xiàn)電壓還可驅動(dòng) ADuM5000，用來(lái)產(chǎn)生VBUS2電壓，供ADuM4160的下游側使用，并為外設提供最高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)。它能夠為鼠標、鍵盤(pán)和記憶棒等小型總線(xiàn)供電設備提供足夠的工作電源。由于該器件使用芯片級微變壓器，內部開(kāi)關(guān)頻率非常高，因此設計時(shí)必須在電纜上使用鐵氧體磁珠，并遵循應用筆記AN-0971中提出的建議，使電磁輻射影響最小。為使系統通過(guò)EMI/RFI測試，必須使用特殊布局、去耦和接地技術(shù)。相關(guān)指導信息請參考教程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，請訪(fǎng)問(wèn)：www.analog.com/CN0159_Board_Layout。

圖2. 隔離電纜盒

ADuM4160隔離電纜應用具有多種電源、總線(xiàn)速度和ESD/EOS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。高速模式以全速配置開(kāi)始，外設通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為高速線(xiàn)性調頻的過(guò)程請求高速支持。ADuM4160忽略該高速調頻；因此，高速運行請求永遠不會(huì )傳遞給主機，外設自動(dòng)繼續以全速運行。本應用電路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)單通道隔離器，允許用戶(hù)通過(guò)設置SPU和SPD引腳來(lái)選擇電纜速度：全速或低速。如果單速運行完全滿(mǎn)足需要，則此功能為可選項。

VBUSx引腳提供電源。3.3 V信號電壓由內部3.3 V調節器在VDDx引腳產(chǎn)生。ADuM4160支持其它電源配置，相關(guān)內容詳見(jiàn)其它電路筆記。在圖1所示的電路中，ADuM4160的上游側和下游側均被設置為從VBUSx線(xiàn)路和內部調節器獲得電源。

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，只要施加外設電源，就會(huì )用到上游上拉電阻。

本電路還使用了保護器件。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顯示了可以使用何種類(lèi)型的保護。

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3和圖4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。

該電纜設計與上游數據連接完全隔離，可承受最高達2.5 kV的瞬變電壓。未來(lái)的isoPower?模塊將支持最高5 kV醫用級電纜隔離。下游端口由上游VBUS1線(xiàn)路供電，應用電路可用的電源限制在500 mA (5 V)，這是標準USB端口的最大可用功率，足以運行帶100 mA外部負載的ADuM5000。低速、全速和高速外設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。該設計依賴(lài)ADuM5000的內部短路電路來(lái)保證安全。

圖3和圖4所示數據是在USB-IF認證過(guò)程中產(chǎn)生的。圖3顯示一個(gè)測試數據包從ADuM4160上游端口傳輸到主機。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)。包的右側是EOP（包結束）標志，它是一個(gè)單端0，其后是一個(gè)受驅J狀態(tài)，再轉換為空閑J狀態(tài)。

上游全速信號質(zhì)量測試參考文件—USB 2.0規范第7.1.11節、第7.1.2.1節。上游全速上升時(shí)間測試參考文件—USB 2.0規范第7.1.11節、第7.1.2.2節。上游全速下降時(shí)間測試參考文件—USB 2.0規范第7.1.11節、第7.1.2.2節。

圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開(kāi)的眼圖，遠離禁入區域。針對低速評估也獲得了類(lèi)似的數據。

圖3. ADuM4160上游端口驅動(dòng)的全速測試包流量

圖4. 顯示禁入區域的全速眼圖