通用串行總線(USB)電纜隔離器電路

通用串行總線(USB)電纜隔離器電路(CN0159)電路功能與優(yōu)勢通用串行總線(USB)正迅速成為大部分PC外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口。由于它具有出色的速度、靈活性，并且支持設(shè)備熱插拔，因而正在取代RS232和并行打印機(jī)端口。工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備制造商也非常希望使用這種總線，但苦于沒有很好的方式來為控制危險電壓的機(jī)器連接或者醫(yī)療應(yīng)用中的低泄漏防去顫連接提供必要的隔離，導(dǎo)致應(yīng)用推廣相當(dāng)緩慢。ADuM4160主要設(shè)計用作USB外設(shè)的隔離元件。但在某些情況下，它也可以用于實現(xiàn)隔離電纜功能。為此，必須先解決幾個問題。ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同，均能驅(qū)動USB電纜，但下游緩沖器還必須能夠根據(jù)與之相連的全速或低速外設(shè)調(diào)整速度。上游連接必須像外設(shè)一樣工作，下游連接必須像主機(jī)一樣工作。在構(gòu)建專用外設(shè)接口的應(yīng)用中，速度是已知的并且不會改變，而主機(jī)應(yīng)用則不同，必須根據(jù)檢測所連接的是低速還是全速設(shè)備而隨機(jī)應(yīng)變。ADuM4160通過引腳以硬連線方式確定單一速度；因此，當(dāng)插入下游側(cè)的外設(shè)速度正確時，它正常工作；當(dāng)所連外設(shè)的速度不ADuM4160與一個集線器控制器相結(jié)合。可以將集線器控制器的上游側(cè)看作是一個標(biāo)準(zhǔn)的固定速度外設(shè)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器控制器處理。但在許多情況下，雖然不能認(rèn)定為完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)，但從實用角度看，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，這樣就不會與兼容器件相混淆?？梢匀コ€器芯片，這樣設(shè)計將變得非常小且簡單。ADuM4160提供了一種經(jīng)濟(jì)簡單的方式來實現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)療外設(shè)的隔離緩沖器。利用該器件的挑戰(zhàn)在于必須將其與ADuM5000等小型隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器配對，以利用此隔離緩沖器構(gòu)建總線供電的電纜隔離器。與任何器件隔離一樣，ADuM4160提供如下功能特性：在上游直接隔離電纜的USBD+和D?線路。提供醫(yī)用級隔離。1所示應(yīng)用電路的目標(biāo)是隔離一個已經(jīng)實現(xiàn)USB100%的電源轉(zhuǎn)換器可用來跨越隔離傳輸總線電壓，因此無法獲得一條完全兼容的總線供電電USB標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)電流要求，而且ADuM4160還有速度檢測限制。能夠?qū)崿F(xiàn)的是固定速度或開關(guān)控制速度的電纜，它可以向下游外設(shè)提供適中的功率。不過，這是一種定制應(yīng)用，不完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)。電路描述

1.USB電纜隔離器電路上游USBUSB5VVBUS電壓獲得。總線電壓還可驅(qū)ADuM5000，用來產(chǎn)生VBUS2電壓，供ADuM4160的下游側(cè)使用，并為外設(shè)提供最高100mA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。它能夠為鼠標(biāo)、鍵盤和記憶棒等小型總線供電設(shè)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(nèi)部開關(guān)頻率非常高，因此設(shè)計時必須在電纜上使用鐵氧體磁珠，并遵循應(yīng)用筆AN-0971中提出的建議，使電磁輻射影響最小。為使系統(tǒng)通過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(dǎo)信息請參考教程MT-031和教程MT-101。欲了解USBGerber文件，請訪問：\h/CN0159_Board_Layout。2.隔離電纜盒ADuM4160隔離電纜應(yīng)用具有多種電源、總線速度和ESD/EOS保護(hù)選項，必須加以確定。外設(shè)以三種速度之一運行：低速(1.5Mbps)、全速(12Mbps)和高速(480Mbps)。ADuM4160不支持高速運行，會阻止用于協(xié)商該速度的握手信號。高速模式以全速配置開始，外設(shè)通過一個稱為高速線性調(diào)頻的過程請求高速支持。ADuM4160忽略該高速調(diào)頻；因此，高速運行請求永遠(yuǎn)不會傳遞給主機(jī)，外設(shè)自動繼續(xù)以全速運行。本應(yīng)用電路包括一個開關(guān)和一個單通道隔離器，允許用戶通過設(shè)置SPUSPD引腳來選擇電纜速度：全速或低速。如果單速運行完全滿足需要，則此功能為可選項。VBUSx引腳提供電源。3.3V3.3V調(diào)節(jié)器在VDDx引腳產(chǎn)生。1所示的電路中，ADuM4160的上游側(cè)和下游側(cè)均被設(shè)置為從VBUSx線路和內(nèi)部調(diào)節(jié)器獲得電源。ADuM4160還提供一個選項，可以在外設(shè)控制下延遲應(yīng)用上游上拉電阻。此功能由PIN輸入控制。在本應(yīng)用中，PIN輸入短路至高電平，因此，只要施加外設(shè)電源，就會用到上游上拉電阻。本電路還使用了保護(hù)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Ω短路電阻予以代替，以便將其從電路中移除。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮保護(hù)器件選擇，包括不需要外部保護(hù)到需要全套瞬變抑制器和濾波器元件的各種情況。本應(yīng)用電路所包括的元件顯示了可以使用何種類型的保護(hù)。34所示的數(shù)據(jù)分別以時域數(shù)據(jù)和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。在實時數(shù)據(jù)中，需要注意的特點是包開始時為無源空閑狀態(tài)，它會轉(zhuǎn)換為受驅(qū)J狀態(tài)，還有處理結(jié)束時的包末尾顯0狀態(tài)，其后是空閑J狀態(tài)。正是這種自動控制流和這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使ADuM4160芯片得以實現(xiàn)，并且是市場上獨一無二的。2.5kV的瞬變電壓。未來的5kVVBUS1線路供電，應(yīng)500mA(5V)，這是標(biāo)準(zhǔn)USB端口的最大可用功率，足以運行帶100mA外部負(fù)載的ADuM5000。低速、全速和高速外設(shè)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方式切換。該設(shè)計依賴ADuM5000的內(nèi)部短路電路來保證安全。34所示數(shù)據(jù)是在USB-IF3顯示一個測試數(shù)據(jù)包從ADuM4160上游端口傳輸?shù)街鳈C(jī)。需要注意的是前置空閑狀態(tài)，其中無源電阻網(wǎng)絡(luò)保持空閑J狀態(tài)。包的中心是JK的混合狀態(tài)。包的右側(cè)是EOP（包結(jié)束）標(biāo)志，它是一個單0，其后是一個受驅(qū)J狀態(tài)，再轉(zhuǎn)換為空閑J狀態(tài)。—USB2.07.1.11節(jié)。上游全速上升時間測試參考文件—USB2.0.2.2節(jié)。上游全速下降時間測試參2.07.1.11節(jié)。3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開的眼圖，遠(yuǎn)離禁入?yún)^(qū)域。針對低速評估也獲得了類似的數(shù)據(jù)。顯示禁入?yún)^(qū)域的全速眼圖ADI實驗室電路:超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1A