電子工程師必備：ADuM4160 USB隔離器電路設(shè)計解析

在電子設(shè)備的設(shè)計中，USB接口已成為連接各種外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。然而，在工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，由于安全和性能的要求，需要對USB接口進行隔離。今天，我們就來深入探討基于ADuM4160的USB電纜隔離器電路設(shè)計。

文件下載：EVAL-CN0159-EB1Z.pdf

電路概述

Circuits from the Lab提供的經(jīng)過測試的電路設(shè)計，能解決常見的設(shè)計挑戰(zhàn)，并且便于系統(tǒng)集成。本次涉及的電路主要包含ADuM4160全/低速USB隔離器、ADuM1100數(shù)字隔離器和ADuM5000隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器。

電路評估與設(shè)計支持

• 評估板：CN - 0159電路評估板，為電路的評估和測試提供了硬件基礎(chǔ)。
• 設(shè)計與集成文件：包含原理圖、布局文件和物料清單等，方便工程師進行設(shè)計和生產(chǎn)。

電路功能與優(yōu)勢

USB接口的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

USB接口憑借其高速、靈活和支持設(shè)備熱插拔的優(yōu)勢，正迅速成為大多數(shù)PC外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口，逐漸取代RS - 232和并行打印機端口。然而，工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備制造商雖然也希望使用USB總線，但由于缺乏有效的隔離方案，導(dǎo)致其應(yīng)用推廣緩慢。

ADuM4160的應(yīng)用與問題

ADuM4160主要作為外設(shè)USB設(shè)備的隔離元件，但在創(chuàng)建隔離電纜功能時，存在一些問題。例如，ADuM4160的上下游緩沖器雖然相同且能驅(qū)動USB電纜，但下游緩沖器需能適應(yīng)連接的全/低速外設(shè)，而上游連接要像外設(shè)，下游連接要像主機。并且，ADuM4160通過引腳硬連線到單一速度，當(dāng)連接錯誤速度的外設(shè)時會出現(xiàn)問題。解決方法是將其與集線器控制器結(jié)合使用，但在某些情況下，單速電纜從實際角度來看是可以接受的，此時可省去集線器芯片，使設(shè)計更小巧簡單。

ADuM4160的隔離功能

ADuM4160為醫(yī)療和工業(yè)外設(shè)提供了一種經(jīng)濟且簡便的隔離緩沖實現(xiàn)方式。它能直接隔離電纜的USB D + 和D - 線，實現(xiàn)自動的數(shù)據(jù)控制流方案，無需外部控制線，提供醫(yī)療級隔離，支持全/低速信號速率，并支持通過電纜進行隔離電源傳輸。

電路詳細描述

電源供應(yīng)

上游USB連接器的電源來自USB電纜上的5V VBUS電壓。該電壓驅(qū)動ADuM5000，為ADuM4160的下游側(cè)創(chuàng)建VBUS2電壓，可為外設(shè)提供高達100mA的功率。ADuM5000因其高隔離電壓和小尺寸而被選用，能為鼠標(biāo)、鍵盤和記憶棒等小型總線供電設(shè)備提供足夠的功率。

速度選擇

外設(shè)設(shè)備運行速度有低（1.5Mbps）、全（12Mbps）和高（480Mbps）三種，ADuM4160不支持高速操作，會阻止用于協(xié)商高速的握手信號。在本電路中，通過開關(guān)和單通道隔離器，用戶可通過設(shè)置SPU和SPD引腳選擇全或低速電纜速度。

電源配置

ADuM4160的上下游兩側(cè)均從VBUSx線和內(nèi)部穩(wěn)壓器獲取電源。同時，ADuM4160可在周邊設(shè)備的控制下延遲上游上拉的應(yīng)用，在本應(yīng)用中，PIN輸入短路至高電平，以便在外設(shè)電源接通時立即應(yīng)用上游上拉。

保護裝置

電路中使用了保護裝置，這些裝置可根據(jù)設(shè)計需求進行選擇和調(diào)整。設(shè)計師可根據(jù)實際情況決定是否需要外部保護，以及需要何種程度的保護。

數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)電路正常工作時，數(shù)據(jù)包被檢測到并在隔離屏障的兩側(cè)傳輸。通過圖3和圖4的時域數(shù)據(jù)和眼圖可以看到典型的全速事務(wù)，ADuM4160芯片的自動控制流和對特殊邏輯狀態(tài)的處理使其在市場上具有獨特性。

隔離性能

電纜設(shè)計對高達2.5kV的瞬態(tài)干擾與上游數(shù)據(jù)連接完全隔離。未來的isoPower?模塊將實現(xiàn)電纜的5kV全醫(yī)療隔離。下游端口由上游VBUS1線供電，最大可用功率為5V/500mA，可滿足ADuM5000和100mA外部負(fù)載的運行需求。

電路評估與測試

所需設(shè)備

進行電路評估和測試需要一個具有上下游數(shù)據(jù)路徑的USB數(shù)據(jù)端口連接、CN0159通用串行總線（USB）電纜隔離器電路板或等效電路板、兩根USB電纜和一臺高速數(shù)字示波器。

測試說明

電路說明中包含了電路描述、原理圖和測試設(shè)置的示意圖，詳細介紹了如何進行測試和獲取數(shù)據(jù)。相關(guān)的設(shè)計支持文件可在http://www.analog.com/CN0159 - DesignSupport獲取。

總結(jié)

基于ADuM4160的USB電纜隔離器電路為工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的USB接口隔離提供了一種有效的解決方案。雖然該電路不能完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)，但在實際應(yīng)用中具有一定的實用性。電子工程師在設(shè)計過程中，可根據(jù)具體需求對電路進行調(diào)整和優(yōu)化，以滿足不同設(shè)備的要求。大家在實際設(shè)計中是否也遇到過類似的隔離問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。