通用串行總線(USB)電纜隔離器電路
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優(yōu)化目標(biāo):隔離
應(yīng)用:樓宇控制, 儀器儀表, 醫(yī)療保健, 電能計(jì)量, 運(yùn)動(dòng)控制, 過(guò)程控制, 安全與監(jiān)控
電路功能與優(yōu)勢(shì)
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(méi)有很好的方式來(lái)為控制危險(xiǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)隔離電纜功能。為此，必須先解決幾個(gè)問(wèn)題。
ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同，均能驅(qū)動(dòng)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(huì)改變，而主機(jī)應(yīng)用則不同，必須根據(jù)檢測(cè)所連接的是低速還是全速設(shè)備而隨機(jī)應(yīng)變。ADuM4160通過(guò)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(shí)，它正常工作；當(dāng)所連外設(shè)的速度不正確時(shí)，它無(wú)法工作。解決這一問(wèn)題的最佳辦法是將ADuM4160與一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的固定速度外設(shè)端口，利用ADuM4160很容易對(duì)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(shí)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(huì)與兼容器件相混淆。可以去除集線器芯片，這樣設(shè)計(jì)將變得非常小且簡(jiǎn)單。
ADuM4160提供了一種經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)實(shí)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(duì)，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USB D+和D−線路。
- 針對(duì)不需要外部控制線路的控制數(shù)據(jù)流實(shí)施自動(dòng)控制方案。
- 提供醫(yī)用級(jí)隔離。
- 支持全速或低速信號(hào)速率。
- 支持通過(guò)電纜提供隔離電源。
圖1所示應(yīng)用電路的目標(biāo)是隔離一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)USB接口的外設(shè)。由于沒(méi)有效率為100%的電源轉(zhuǎn)換器可用來(lái)跨越隔離傳輸總線電壓，因此無(wú)法獲得一條完全兼容的總線供電電纜。此外，轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流不符合USB標(biāo)準(zhǔn)的待機(jī)電流要求，而且ADuM4160還有速度檢測(cè)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(guò)，這是一種定制應(yīng)用，不完全符合USB標(biāo)準(zhǔn)。
通用串行總線(USB)電纜隔離器電路 (CN0159)
圖1. USB電纜隔離器電路
電路描述
上游USB連接器所用的電源從USB電纜提供的5 V VBUS電壓獲得?？偩€電壓還可驅(qū)動(dòng)ADuM5000，用來(lái)產(chǎn)生VBUS2電壓，供ADuM4160的下游側(cè)使用，并為外設(shè)提供最高100 mA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(diǎn)。它能夠?yàn)槭髽?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(jí)微變壓器，內(nèi)部開關(guān)頻率非常高，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須在電纜上使用鐵氧體磁珠，并遵循應(yīng)用筆記AN-0971中提出的建議，使電磁輻射影響最小。為使系統(tǒng)通過(guò)EMI/RFI測(cè)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(qǐng)參考教程MT-031和教程MT-101。欲了解ADuM4160 USB電纜隔離板的完整布局和Gerber文件，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：www.analog.com/CN0159_Board_Layout。
評(píng)論