AN-2561:通用串行总线外设隔离器电路
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 接口和并行打印机端口。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漏电防除颤冲击型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：
- 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。
- 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。
- 提供医用级隔离。
- 支持完整外设达到 USB-IF 认证标准。
- 支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信号速率。
- 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，因此隔离器辅面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 线缆总线电源获得，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。
电路描述
上行USB连接器所用的电源从USB线缆提供的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。下行侧的电源由一个壁式电源适配器和 ADP3338 低压差(LDO)稳压器（5 V 选项）提供。此 LDO 可提供非常低的压差，从而降低了对插墙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啁啾的过程请求高速支持。ADuM4160 忽略该高速啁啾；因此，高速运行请求永远不会传递给主机，外设自动继续以全速运行。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 引脚连接到内部 3.3 V 稳压电源的 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 稳压器在 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，从而禁用内部稳压器。提供此选项是为了让 ADuM4160 既能采用 5 V USB线缆供电，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，内部稳压器为激活状态。
ADuM4160 还提供一个选项，可以在外设控制下延迟启用上行上拉。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行上拉。在其他应用中，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，并将数据从隔离栅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。在实时数据中，需要注意的特点是包开始时为被动空闲状态，它会转换为驱动的 J 状态，然后在处理结束时数据包末尾显示为单端 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，使得 ADuM4160 芯片在市场上独树一帜。
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 2 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（包结束）标志，它是一个单端 0，其后是一个驱动的 J 状态，再转换为空闲 J 状态。
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 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。针对低速评估也获取了类似的数据。
典型应用电路的照片如图 4 所示。ADuM4160 评估板（照片左侧）连接到带 I2C 兼容接口的AD79914 通道、12/10/8 位 ADC 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。相关指南参见 教程 MT-031 、教程 MT-101 和应用笔记 AN-0971。