CN0160: 通用串行总线(USB)外设隔离器电路

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概览

电路笔记PDF, 09/2010 (pdf, 0)

优势和特点
  • 与USB外设隔离
  • 标准USB接口
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 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。需要解决的挑战包括:

  1. 直接在USB D+和D−线路中隔离,以便使用微处理器中的现有USB基础架构。
  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. 支持完整外设达到USB-IF认证标准。
  5. 支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信号速率。
  6. 支持灵活的电源配置。

图1所示的电路隔离了一个支持USB接口的外设。由于本电路没有明确定义外设,因此隔离器副边的电源已作为解决方案的一部分提供。如果在外设的PCB上构建该电路,则电源可以从外设的离线电源、电池或者USB电缆总线电源获得,具体取决于应用需要。

这里所示的应用电路是许多医疗和工业应用的典型电路。

图1. USB外设隔离器电路

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。外设必须提供未使用ADuM4160时所需要的所有信号和上拉/下拉电阻。下游侧的电源由一个壁式电源适配器和 ADP3338LDO调节器(5 V选项)提供。此LDO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(SOT-223)特点和1 A电流能力非常适合这种外设可能需要电缆供电才能工作的通用电路。

ADuM4160具有多种电源、速度和保护选项,必须加以确定。首先是外设的运行速度。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。高速模式以全速配置开始,外设通过一个称为高速线性调频的过程请求高速支持。ADuM4160忽略该高速线性调频,因此高速运行请求永远不会传递给主机,外设继续以全速运行。

USB总线上的外设速度或者为低速,或者为全速。所需的速度由具体外设决定,必须通过SPU和SPD引脚的状态将ADuM4160设置为与此速度匹配。在目前的原理图中,SPU和SPD引脚连接到的3.3 V内部调节电源VDD1和VDD2,从而将器件设置为全速运行。

5 V电源可以通过VBUSx引脚提供,3.3 V信号电压由内部3.3 V调节器在VDDx引脚产生。或者,也可以将该3.3 V电源提供给VBUSx和VDDx,器件直接使用外部电源,从而禁用内部调节器。提供此选项是为了让ADuM4160既能采用5 V USB电缆供电,也能采用外设提供的5 V或3.3 V电源轨供电。所示的电路接受各侧的5 V电源,内部调节器为活动状态。

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输入通过跳线接高电平,因此,只要施加外设电源就会用到上游上拉电阻。在其它应用中,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。

本电路还包括保护器件。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的选择,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情况。本电路所包括的元件显示了典型的高度保护配置。

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。下面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。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这些特殊逻辑状态的处理,才使得ADuM4160芯片成为市场上独一无二的。

下面的图2和图3所示数据是在USB-IF认证过程中产生的。图1显示一个测试数据包从ADuM4160上游端口传输到主机。需要注意的是前置空闲状态,其中无源电阻网络保持空闲J状态。包的中心部分是J和K的混合状态。包的右侧是EOP(分组结束)标志,它是一个单端0,其后是一个受驱J状态,再转换为空闲J状态。

图2. ADuM4160上游端口驱动的全速测试数据包流

以下是适用的测试参考:

  • 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,远离禁入区域。针对低速评估也获得了类似的数据。

图3.显示禁入区域的全速眼图

典型应用电路的照片如图4。ADuM4160评估板(照片左侧)连接到带I 2C兼容接口的4通道、12/10/8位ADCAD7991的评估板。ADC评估板充当外设,通过USB端口连接到PC(以便测试和评估ADC)。这就在ADuM4160 USB端口与ADC评估板之间提供了整体隔离。

本电路的边沿速度非常快,为使系统通过EMI/RFI测试,必须使用出色的布局、去耦和接地技术。相关指导信息请参考Tutorial MT-031, Tutorial MT-101AN-0971 Application Note 欲了解图4所示ADuM4160 USB评估板隔离适配器的完整布局和Gerber文件,请访问:http://www.analog.com/CN0160-DesignSupport.

图4. ADuM4160 USB评估板连接到AD7991评估板USB端口的照片

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™ design tool for details.

CIRCUIT EVALUATION AND TEST

The ADuM4160 evaluation board isolation adapter described in this note is used for evaluation and testing. A detailed schematic and a picture of the circuit boards used in the test setup are shown in Figure 1 and Figure 4.

Equipment Needed
The following equipment is needed: a PC with Windows® XP or Vista, a USB data port connection, the ADuM4160 evaluation board isolation adapter, the EVAL-7991EBZ evaluation board and AD7991 evaluation software, two USB cables, and a high speed digital oscilloscope.

Getting Started
In addition to the circuit and schematic of the test setup described in this Circuit Note, details regarding the ADuM4160 evaluation board isolation adapter, including schematics, Gerber’s, and bill of materials, are available at http://www.analog.com/CN0160-DesignSupport.

Functional Block Diagram
See Figure 1 for the schematic diagram and other information regarding the described test setup.

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
ADP3338 高精度、超低静态电流、1 A、anyCAP®低压差稳压器 ADP3338AKCZ-3-RL7 ADP3338AKCZ-2.5RL7 ADP3338AKCZ-1.5-R7 ADP3338AKCZ-5-R7 ADP3338AKCZ-3.3RL7 ADP3338AKCZ-1.8-R7 ADP3338AKCZ-2.85R7
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
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
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EVAL-CN0160-EB1Z Universal Serial Bus (USB) Peripheral Isolator Circuit $ 50.00 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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