EVAL - ADuM4160EBZ USB隔離器評估板使用指南

一、引言

在基于PC的系統(tǒng)中，USB已取代RS - 232等舊通信標準，成為默認的串行通信端口。與其他標準相比，USB具有為外設供電、自動驅(qū)動安裝和更高數(shù)據(jù)速率等增強功能。然而，USB在隔離方面存在困難，這限制了其在醫(yī)療和工業(yè)應用中的接受度。

文件下載：EVAL-ADUM4160EBZ.pdf

ADI公司推出了ADuM4160和ADuM3160 iCoupler? USB隔離器來解決總線隔離的難題。EVAL - ADuM4160EBZ USB隔離器評估板通過標準電纜或離散布線，可輕松與現(xiàn)有應用接口。該評估板預裝了ADuM4160，但由于ADuM4160和ADuM3160電氣特性相同且引腳兼容，用此板和元件進行的任何評估也直接適用于ADuM3160。若用戶想在印刷電路板（PCB）上替換為ADuM3160，無需進行其他更改。

評估平臺的設計目標包括：

1. 通過標準USB A型和B型連接器連接到系統(tǒng)。
2. 從USB主機或外部5.0 V或3.3 V電源獲取電力。
3. 通過ADuM5000 isoPower? 直流 - 直流轉(zhuǎn)換器為下游接口提供隔離電源。
4. 支持從5 V或3.3 V電源獲取外部下游電源。
5. 為所有電源和信號路徑提供測試點。
6. 支持低速和全速通信。
7. 支持枚舉控制。
8. 支持外部靜電放電（ESD）保護。
9. 支持xD + /xD - 線路中的共模扼流圈。
10. 支持VBUSx和GNDx線路中的鐵氧體電感。

二、ADuM4160/ADuM3160的特性

ADuM4160和ADuM3160通過直接與USB xD + 和xD - 線路接口，支持全速和低速數(shù)據(jù)通信。這些設備設計為對USB數(shù)據(jù)流量透明，僅增加約與集線器和電纜相同的延遲。隔離器的特性包括：

1. 內(nèi)置穩(wěn)壓器：允許ADuM4160和ADuM3160從5 V或3.3 V電源獲取電力。
2. 上拉電阻控制：上游上拉電阻的應用由下游引腳PIN（引腳12）控制。
3. 速度設置：設備上下游的引腳SPU和SPD（分別為引腳5和引腳13）可設置隔離器的運行速度。
4. 接口連接：隔離器的上游側(cè)（引腳1 - 8）連接到評估板左側(cè)，通過B型連接器接口；下游側(cè)（引腳9 - 16）連接到評估板右側(cè)，通過A型連接器接口。

三、電源配置

3.1 上游側(cè)

USB標準要求外圍設備的上游端口從電纜上的5 V獲取上拉電源，也可為外設功能供電，最大電流可達500 mA。ADuM4160和ADuM3160包含內(nèi)部穩(wěn)壓器，可從(V_{BUSx})獲取3.3 V用于數(shù)據(jù)傳輸和上拉電源。若外部提供3.3 V電源，用戶可繞過此穩(wěn)壓器。評估板的電源可來自5 V電纜或連接到J5端子塊EXT的外部電源，通過跳線JP1選擇。若選擇外部電源，ADuM3160和ADuM4160可配置為接受3.3 V或5 V。若提供3.3 V，需通過短接引腳1和引腳3（在JP3，3.3EXT上放置分流器）禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器。當USB總線為電源時，此跳線必須打開。

3.2 下游側(cè)

USB標準不允許從外設端口獲取電源，ADuM4160或ADuM3160下游側(cè)的電源不能像上游側(cè)那樣來自電纜連接。若隔離器內(nèi)置在外圍設備中，可直接從外設電源獲取電力；若未內(nèi)置，則必須從外部電源獲取或通過直流 - 直流轉(zhuǎn)換器從上游總線電源獲取。評估板涵蓋了所有這些可能的電源配置。

下游端口的電源可通過端子塊J3從外部5 V電源提供，或通過ADuM5000 isoPower隔離直流 - 直流轉(zhuǎn)換器從上游USB電源總線獲取。ADuM5000隨評估板一起發(fā)貨，若由上游USB電源總線提供隔離電源，必須將其焊接到評估板的U2位置。下游端口只能使用一種供電方法。

ADuM5000可為下游側(cè)提供最大500 mW的功率。若下游端口需要更多功率，必須使用外部5 V電源選項。ADuM5000是為方便用戶提供的，在最終應用中使用時，必須根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊中關于功耗和電磁干擾（EMI）緩解的注意事項進行評估。

下游電源的配置通過安裝或卸載ADuM5000轉(zhuǎn)換器、向J3或J4供電以及設置適當?shù)奶€來完成。與ADuM4160或ADuM3160的上游側(cè)一樣，有一個內(nèi)部穩(wěn)壓器，可從施加到(V{BUS2})的5 V電源為xD + 和xD - 信號線獲取3.3 V電源。此外，若(V{BUS2})和(V_{DD 2})連接到3.3 V電源，則繞過穩(wěn)壓器，芯片直接使用該電壓。IN SELD (JP3)跳線用于選擇從5 V電源還是3.3 V電源獲取電力。5 V電源可以是施加到J3的外部電壓或ADuM5000，唯一的3.3 V電源是J4端子塊。若使用外部電源，則不得在板上安裝ADuM5000。

3.3 接地方案

評估板由兩個獨立的接地和電源系統(tǒng)組成。此外，PCB底層有一個浮動電容結(jié)構(gòu)，為ADuM5000直流 - 直流轉(zhuǎn)換器提供EMI緩解。該結(jié)構(gòu)由隔離邊界兩側(cè)的浮動平面組成。為評估不同的EMI緩解方案，這些平面可以：

1. 保持浮動，對EMI影響最小。
2. 通過添加銅帶并將其焊接到暴露的焊盤進行連接。
3. 通過安裝在通孔位置C14和C19的安全電容進行連接。

此外，用戶可選擇通過C15 - C18對接地和電源平面進行電容耦合，以提供平面間的噪聲旁路，減少ADuM5000電源的輻射發(fā)射。PCB頂部邊緣的兩個大螺絲孔用于連接上游接地平面和下游接地平面，允許以多種配置將PCB接地到系統(tǒng)。浮動平面設計為與所有過孔和其他板平面有0.4 mm的縮進。若使用浮動結(jié)構(gòu)進行降噪，則不得將PCB用于高壓測試。若最終設計需要這種結(jié)構(gòu)，應將其構(gòu)建在PCB的內(nèi)層，以避免爬電和間隙問題。

四、其他設置

4.1 速度選擇

ADuM4160和ADuM3160以固定的USB傳輸速度（低速或全速）工作。設備上下游的SPU引腳和SPD引腳通過評估板上的跳線設置速度，為確保正常運行，兩個速度跳線必須設置為相同的速度。

4.2 上拉控制

PIN引腳允許外設控制枚舉和斷開連接。當PIN為邏輯高電平時，ADuM4160或ADuM3160上游側(cè)的上拉電阻應用于適合USB速度模式的數(shù)據(jù)線，允許枚舉和數(shù)據(jù)傳輸；當PIN為邏輯低電平時，上游上拉電阻斷開，使上游端口表現(xiàn)得好像該端口不存在。

此功能允許外設通過延遲應用上游上拉電阻，直到準備好在總線上枚舉，從而延遲與主機的通信。若不需要此功能，將PIN連接到(V_{DD2})，當下游電源都通電時，上拉電阻將應用于上游側(cè)。

跳線JP6用于控制PIN。一個10 kΩ電阻將PIN輸入拉高。當在JP6上放置分流器時，PIN被拉低，為PIN提供默認高電平狀態(tài)，允許立即枚舉。

4.3 串聯(lián)電阻

ADuM4160和ADuM3160支持的兩種USB速度在收發(fā)器端子處需要不同的串聯(lián)電阻值。

對于全速操作，R1、R2、R3和R4電阻必須使用24 Ω、1%的電阻。這些24 Ω電阻安裝在評估板的基本配置中，若評估板以全速運行，則無需更改。

當ADuM4160以低速運行時，建議修改評估板的配置。對于低速操作，將R1、R2、R3和R4電阻替換為0 Ω、0805尺寸的表面貼裝分流器。若阻抗不是關鍵因素，24 Ω電阻對低速性能影響不大，可在兩種速度模式下保留。

4.4 測試點

評估板上包含八個測試點的位置，默認配置中不提供接頭。提供了用于接地信號對的安裝孔，這些孔適合中心間距為100 mil或200 mil的標準方形引腳。此配置與泰克?高頻有源探頭或標準接頭的尺寸相匹配。若要獲得合適的示波器接頭，可使用3引腳SIP（2.54 mm間距）繞線接頭并移除中心引腳，信號引腳可修剪以匹配探頭的間距。若需要其他類型的連接，可將電線插入為這些連接提供的孔中。

4.5 可選組件

EVAL - ADUM4160EBZ評估板提供了在DD + /DD - 和UD + /UD - 數(shù)據(jù)線上安裝共模扼流圈和外部ESD保護的選項。在位置FL1和FL2提供了1206尺寸的Wurth WE - CNSW扼流圈的位置，在位置D1和D2提供了ESD二極管組（安森美半導體?的NUP2202）的位置。此外，在位置R6 - R10提供了表面貼裝鐵氧體電感的焊盤。這些位置是為最終用戶提供的便利，并非操作所必需。若要使用共模扼流圈，需移除R11、R12、R13和R14分流器。

五、評估板原理圖和布局

文檔中提供了評估板的原理圖以及各層的布局圖，包括第一層、第二層、第三層和第四層，這些圖對于工程師理解評估板的結(jié)構(gòu)和設計非常有幫助。

六、訂購信息和物料清單

6.1 訂購信息

文檔未詳細提及具體的訂購信息，但可通過ADI公司的官方渠道獲取。

6.2 物料清單

七、注意事項

7.1 ESD注意事項

該設備對靜電放電（ESD）敏感，帶電設備和電路板可能在無檢測的情況下放電。盡管該產(chǎn)品具有專利或?qū)Ｓ?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/保護電路/" target="_blank">保護電路，但受高能量ESD影響的設備仍可能損壞。因此，應采取適當?shù)腅SD預防措施，以避免性能下降或功能喪失。

7.2 法律條款和條件

使用評估板即表示同意相關條款和條件。ADI授予客戶免費、有限、個人、臨時、非排他、不可再許可、不可轉(zhuǎn)讓的許可證，僅用于評估目的?？蛻舨坏贸鲎狻⒆赓U、展示、銷售、轉(zhuǎn)讓、分配、再許可或分發(fā)評估板，也不得允許任何第三方訪問評估板。評估板未出售給客戶，ADI保留所有未明確授予的權(quán)利，包括評估板的所有權(quán)。

客戶不得拆卸、反編譯或逆向工程評估板上的芯片，若評估板發(fā)生損壞或進行任何修改，應通知ADI。修改評估板必須符合適用法律，包括但不限于RoHS指令。ADI可隨時書面通知客戶終止協(xié)議，客戶應在此時將評估板歸還ADI。評估板按“現(xiàn)狀”提供，ADI不提供任何形式的保證或陳述，ADI及其許可方對客戶因占有或使用評估板而產(chǎn)生的任何附帶、特殊、間接或后果性損害不承擔責任，ADI的總責任限制為100美元?？蛻敉獠恢苯踊蜷g接將評估板出口到其他國家，并遵守所有適用的美國聯(lián)邦出口法律和法規(guī)。協(xié)議受馬薩諸塞州聯(lián)邦實體法管轄，任何與協(xié)議有關的法律訴訟將在馬薩諸塞州薩福克縣的州或聯(lián)邦法院審理。

在使用EVAL - ADuM4160EBZ評估板時，工程師們需要仔細考慮上述各個方面，以確保評估工作的順利進行和設計的可靠性。大家在實際應用中遇到過哪些與USB隔離器相關的問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。