CN0158: 通用串行总线(USB)集线器隔离器电路

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电路笔记PDF, 09/2010 (pdf, 477 kB)

此电路中所用产品
    应用: 
  • 仪器仪表
  • 消费类和医疗保健
  • 消费电子
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电路功能与优势

通用串行总线(USB)正迅速成为大部分PC外设的标准接口。由于它具有出色的速度、灵活性,并且支持设备热插拔,因而正在取代RS-232和并行打印机端口。工业和医疗设备制造商也非常希望使用这种总线,但苦于没有很好的方式来为控制危险电压的机器连接或者医疗应用中的低泄漏防去颤连接提供必要的隔离,导致应用推广相当缓慢。

ADuM4160主要设计用作USB外设的隔离元件。但在某些情况下,它也可以用于隔离主机。为此,必须先解决几个问题。ADuM4160上游和下游的缓冲器完全相同,均能驱动USB电缆,但下游缓冲器还必须能够根据与之相连的全速或低速外设调整速度。

在构建专用外设接口的应用中,速度是已知的并且不会改变,而主机应用则不同,必须随机应变。ADuM4160通过引脚以硬连线方式确定单一速度。因此,当插入下游侧的外设速度正确时,它正常工作;当所连外设的速度不正确时,它无法工作。解决这一问题的最佳办法是将ADuM4160与一个集线器控制器相结合使用。

可以将集线器控制器的上游侧看作是一个标准的固定速度外设端口,利用ADuM4160可以很容易对其进行隔离,而下游端口的速度则由集线器控制器处理。集线器控制器转换不同速度的外设,以便与上游端口速度相匹配。图1电路显示在某个设计中如何使用一个双端口集线器芯片来隔离两个下游主机端口,这种处理可以使设计完全符合USB规范。

图1. 隔离USB集线器电路

ADuM4160提供了一种经济简单的方式来实现工业和医疗外设隔离缓冲器。利用该器件的挑战在于必须将其与集线器芯片配对,以构建完全兼容的主机端口。与任何外设隔离一样,ADuM4160和集线器提供如下功能特性:

  1. 在上游直接隔离集线器芯片的USB D+和D−线路,使集线器能够管理下游主机端口活动。
  2. 针对不需要外部控制线路的控制数据流实施自动控制方案。
  3. 提供医用级隔离。
  4. 允许创建一个或多个符合USB-IF认证标准的主机端口。
  5. 支持全速信号速率。
  6. 支持灵活的电源配置。
本应用电路的目标是像全速外设一样对集线器进行隔离。集线器或主机功能要求为各下游端口提供2.5 W功率。隔离器下游侧的电源以及集线器和端口的电源是作为解决方案的一部分而提供。本应用电路是许多医疗和工业应用的典型电路。

电路描述

上游USB连接器所用的电源从USB电缆提供的5 V VBUS电压获得。集线器芯片必须提供未使用ADuM4160时所需要的所有信号和上拉/下拉电阻。所选的集线器芯片为 SMSC USB2512双端口USB集线器控制器,它具有低成本和小尺寸的特点。此外,还可以使用相同尺寸的4通道版本。本设计为全功能型,通过MIC2026配电开关支持各通道的限流功能,并具有充足的离线稳压电源,可为下游各通道提供2.5 W功率。下游侧的电源由一个壁式电源适配器和ADP3339 LDO调节器(5 V选项)提供。此器件可提供非常低的压差,从而降低了对壁式电源适配器的调节要求。其小尺寸特点和1.5 A电流能力非常适合这种通用电路,其下游外设可能需要电缆的全部功率才能工作。

ADuM4160具有多种电源、速度和保护选项,必须加以确定。外设以三种速度之一运行:低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。ADuM4160不支持高速运行,会阻止用于协商该速度的握手信号。所选的集线器芯片支持高速运行,但ADuM4160的正常运行不允许这种模式。必须通过SPU和SPD引脚的状态将ADuM4160设置为以全速工作。在目前的原理图中,SPU和SPD引脚连接到3.3 V稳压电源VDD1和VDD2,从而将器件设置为全速运行。

可以通过VBUSx引脚提供5 V电源。3.3 V信号电压由内部3.3 V调节器在VDDx引脚产生。另一种选择是直接向VBUSx和VDDx提供3.3 V电源。器件能够检测到这种配置,并直接使用3.3 V电源,禁用内部调节器。出于说明需要,ADuM4160配置为接受一个3.3 V外部电源,并且旁路内部调节器。VBUS2和VDD2引脚短路连在一起,由ADP3330 LDO调节器产生的3.3 V外部电压供电。

ADuM4160还提供一个选项,可以在外设控制下延迟应用上游上拉电阻。此功能由PIN输入控制。在本应用中,PIN输入短路至高电平,因此,只要对集线器芯片施加电源,就会用到上游上拉电阻。在有些应用中,可以将它连接到一个控制器的GPIO引脚,可以采用一个固定延迟电路,或者可以像本电路一样连接。如何使用此功能取决于设计人员。

本电路还显示了EOS/ESD保护器件。这些器件选自那些提供各种不同器件的制造商,所选的特定器件允许用0 Ω短路电阻予以代替,以便将其从电路中移除。设计人员应当仔细考虑保护器件选择,包括不需要外部保护到需要全套瞬变抑制器和滤波器元件的各种情况。本应用电路所包括的元件是可以使用的典型元件。

当电路工作时,会进行包检测,并将数据从隔离的一侧传送到另一侧。图2和图3所示的数据分别以时域数据和眼图形式展示了典型的全速处理情况。

图2. ADuM4160上游端口驱动的全速测试包流量

在实时数据中,需要注意的特点是包开始时为无源空闲状态,它会转换为受驱J状态,还有处理结束时的包末尾显示为单端0状态,其后是空闲J状态。正是这种自动控制流和对这些特殊逻辑状态的处理,才使ADuM4160芯片得以实现,并且是市场上独一无二的。

该集线器设计与上游数据连接完全隔离,可承受最高达5 kV的瞬变电压。下游端口通过离线电源供电,以支持全功率应用。低速、全速和高速外设可以任意组合连接到下游端口,集线器控制器根据USB标准正确协商速度。此设计中还包括电流切换和限制功能,还为其它输出保护器件预留了位置,设计人员可以根据需要选择安装。

以下所列为适用的测试参考文件:

  • 上游全速信号质量测试参考文件—USB 2.0规范第7.1.11节、第7.1.2.1节
  • 上游全速上升时间测试参考文件—USB 2.0规范第7.1.11节、第7.1.2.2节
  • 上游全速下降时间测试参考文件—USB 2.0规范第7.1.11节、第7.1.2.2节

图3为全速眼图,显示ADuM4160能够提供充分张开的眼图,并远离禁入区域。但有一个转换是例外,它侵入了禁入区。对于这种测试认证来说这是可以接受的。针对低速评估也获得了类似的数据。评估板的照片如图4所示。欲了解布局文件,请访问: www.analog.com/CN0158_Board_Layout.

图3. 显示禁入区域的全速眼图
图4. ADuM4160隔离USB集线器评估板

常见变化

根据系统要求,可以使用其它线性调节器代替。详细信息请参考ADIsimPower™设计工具。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
ADP3330 高精度超低I(Q)、200MA、SOT-23、ANYCAP®低压差稳压器 ADP3330ARTZ-2.5-R7 ADP3330ARTZ-2.85R7 ADP3330ARTZ-2.75R7 ADP3330ARTZ3.3-RL7 ADP3330ARTZ-3-RL7 ADP3330ARTZ-5-RL7 ADP3330ARTZ-2.75RL ADP3330ARTZ-3.6-R7
ADP3339 高精度、超低Iq、1.5 A、anyCAP®低压差稳压器 ADP3339AKCZ-3.3-R7 ADP3339AKCZ-3-RL7 ADP3339AKCZ-1.5-R7 ADP3339AKCZ-2.5-R7 ADP3339AKCZ-1.8-R7
ADUM4160 全速/低速USB数字隔离器 ADUM4160BRIZ ADUM4160BRWZ
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
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EVAL-CN0158-EB1Z Universal Serial Bus (USB) Hub Isolator Circuit $ 70.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
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