用于嚴苛環(huán)境的隔離式 USB 2.0 和電源

引言

如果用標準 USB (通用串行總線) 電纜將臺式 PC 連接到工業(yè)設備或醫(yī)療設備，可能立刻就會得到一個昂貴的教訓。PC 和所連接的設備很有可能連到了地電位不同的插座上。因此 PC 與設備連接后，USB 電纜可能在這兩臺設備之間提供了一個較低阻抗的接地通路，從而使 USB 電源通路上的所有組件都被燒毀。如果用 USB 電源供電的設備 (例如便攜式掃描儀) 取代 PC，那么你的困境可能是，面對著一個無法提供充足功率的 USB 端口。也許更令人沮喪的是，你知道所有設備都是安全連接的，而且供電方式正確，但是電氣噪聲的環(huán)境卻使通信出現(xiàn)了故障。

USB 標準是上世紀 90 年代中期制定的，制定時從未考慮用在有噪聲的環(huán)境中。USB 本打算用來在相對安靜的家庭或辦公環(huán)境中，通過短距離將低功率外設連接至 PC。而今天，USB 由于速度和易用性等優(yōu)點，已經(jīng)變得廣受歡迎了，設計師依靠 USB 連接電腦與眾多定制外設，在這種情況下，顯然在某些應用中需要隔離，尤其是在醫(yī)療和工業(yè)領域。市場上已有隔離式 USB 收發(fā)器，但是這些解決方案不包括隔離式電源和無源組件，因此形成了較大和比較復雜的設計。一種更加簡練的解決方案是凌力爾特公司的 LTM2884 隔離式 USB 收發(fā)器和電源，該器件極大地簡化了任何隔離式 USB 2.0 集線器或外設設計，為用于嚴苛環(huán)境做好了準備。

芯片級隔離與電源

電氣隔離用在各種行業(yè)中，最常見的是提供安全保護，防止?jié)撛谄茐男院艽蟮碾妷簩е略O備損壞。隔離還用來消除噪聲和接地環(huán)路產(chǎn)生的共模電壓差的影響，或者用作不同工作電壓之間的電平移位器。一般情況下，要建立一個隔離式系統(tǒng)，除了隔離勢壘組件本身，在隔離勢壘兩側(cè)還需要若干無源和有源組件。隔離勢壘組件是出了名的難用，顯著增加了隔離式系統(tǒng)的設計時間和成本。考慮到這一點，凌力爾特公司開發(fā)了微型模塊 (μModule?) 隔離器系列，該系列隔離器將隔離式系統(tǒng)的設計減少為僅需插入一個模塊，無需任何復雜的隔離勢壘組件。實際上，μModule 隔離器根本無需外部組件。如圖 1 所示，LTM2884 USB μModule 隔離器提供 2500VRMS 電氣隔離，在一個 15mm x 15mm x 5mm 表面貼裝 BGA 封裝中，集成了一個 USB 2.0 收發(fā)器、一個無光耦合器的反激式轉(zhuǎn)換器、幾個超低靜態(tài)電流 LDO 和所有需要的無源組件。

圖 1：帶隔離電源的 LTM2884 隔離式 USB 收發(fā)器

與該系列中的其他μModule 隔離器一樣，LTM2884 采用電感耦合線圈或無磁芯變壓器以穿越 2500VRMS 隔離勢壘傳遞數(shù)據(jù)，而專用 IC 則負責為兩個 USB 通道和兩個數(shù)據(jù)方向執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和接收功能。隔離勢壘任一側(cè)的 USB 信號被編碼為脈沖，并使用差分信號傳輸通過在 μModule 襯底中形成的無磁芯變壓器橫跨隔離邊界進行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)備有數(shù)據(jù)刷新、差錯校驗、故障安全停機和可承受極高的共模，為雙向信號隔離提供了一款堅固型解決方案。

LTM2884 中的隔離電源是采用更加傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生的。電源是從一個具原邊電壓檢測調(diào)節(jié)功能的邊界模式反激轉(zhuǎn)換器獲得的。這種整體電源拓撲提供了一款簡單、靈活，容錯和相對高效的設計 (效率約為 65%)。LTM2884 具有兩個用于為內(nèi)置 USB 收發(fā)器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電的分離輸入。USB 收發(fā)器從一個 4.4V 至 16.5V 總線或外部電源接收功率。DC/DC 轉(zhuǎn)換器也從相同的電源接收功率;如果連接至 5V 總線，則隔離式外設能夠利用高達 1W (200mA/5V) 的隔離電源;否則，當連接至一個高于 8.6V 的外部電源時則可為外設提供 2.5W (500mA/5V) 功率!簡化堅固的設計

LTM2884 與 USB 2.0 全速 (12Mbps) 和低速 (1.5Mbps) 運行模式兼容。參見圖 2，LTM2884 檢測下游端口所連接的 USB 設備的速度，然后設定它自己內(nèi)部上游端口的上拉電阻器，以與該速度匹配。集成的下拉電阻器也支持下游總線配置。LTM2884 通過監(jiān)視下游空閑狀態(tài)并以恒定速率刷新跨隔離勢壘的狀態(tài)，保持 USB 總線的空閑狀態(tài)。如果上游端口空閑時間超過 3ms，那么 LTM2884 就可以進入暫停模式，以使該器件本身的功耗降至 500μA 以下。這種自動速度選擇功能無需設定跨接線或配置軟件，從而實現(xiàn)了真正的即插即用式設計。

圖 2：LTM2884 自動選擇內(nèi)部上游上拉電阻器以與下游速度匹配

盡管隔離可以保護設備免受地電位差損害，但是還需要其他保護機制來抵御有噪聲環(huán)境中常見的噪聲、瞬變和浪涌。電氣隔離的主要好處之一是，隔離勢壘能夠擋住高電壓，從而無需其他保護器件，例如笨重的瞬變電壓抑制器 (MOV、TVS 等)。LTM2884 不僅能夠輕松承受 2500VRMS (3500VPEAK) 長達 1 分鐘，而且能夠在連至本地電源的 USB 引腳上承受 ±15kV HBM (人體模型) ESD 以及能夠通過連至電源的隔離勢壘承受 ±15kV HBM。高 ESD 額定值歸功于仔細設計的高性能隔離勢壘，該額定值還支持 30kV/us (典型值為 50kV/μs) 的最低共模瞬變速率，并允許 LTM2884 獨特地通過瞬變事件無差錯工作，同時發(fā)送 USB 數(shù)據(jù)。

LTM2884 對于 RF 和磁場擁有強大的承受能力，而且對相鄰組件也沒有影響，不產(chǎn)生高 EMI (電磁干擾)。LTM2884 中采用的 μModule 隔離器技術已經(jīng)過獨立機構(gòu)評估，在測試中成功達到了歐洲標準 EN 55024 對 RF 和磁場承受能力的要求，這按照 EN 61000-4-3 測試標準要求。此外，設計和布局方法還允許 LTM2884 最大限度地減小 EMI，使其達到遠低于 CISPR 22 Class B 限制的水平，從而無需采用復雜的 EMI 屏蔽和抑制技術。

隔離式 USB 應用

當隔離 USB 端口時，沒有太多電路配置工作。如 LTM2884 之類的隔離組件既可以放置在外設的輸入端，與 USB 電纜 (中繼器) 串聯(lián)，也可以放置在集線器 / 主機的輸出端。憑借上述特點，無論哪種最終應用或細分市場，LTM2884 幾乎適合于任何 USB 設備。該μModule 的占板面積為 225mm2，所需電路板空間最小，同時幾乎所有電氣規(guī)格都經(jīng)過測試，并保證工作在 -40°C 至 105°C 的工作溫度范圍。UL 1577 組件級認證正在進行中，而且 LTM2884 滿足醫(yī)療安全標準 IEC 60601-1 的所有要求，極少數(shù)要求 A.C. 測試電壓高于 2500kVRMS 的雙 MOOP (操作者保護方法) 和雙 MOPP (患者保護方法) 測試除外。除此以外，LTM2884 的引腳間隔 (爬電距離和電氣間隙) 大于 9mm，通過絕緣針對數(shù)據(jù)提供 100μm 距離，針對電源提供 114μm 距離，這些與安全有關的參數(shù)將有助于 USB 系統(tǒng)滿足各種不同設備級標準的要求。

LTM2884 適用范圍如此廣泛，因此在該器件公開發(fā)布之前，凌力爾特公司就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)怎樣將該器件應用于多種設計中了。圖 3 顯示，LTM2884 是凌力爾特 LTP2884 USB 串聯(lián)隔離器的核心，該串聯(lián)隔離器是一款完整的獨立器件，用作一個完整的參考設計，還可以作為一個獨立器件購買，以便能夠在工作環(huán)境中快速部署 USB 隔離。LTP2884 采用堅固的小型封裝，提供 LTM2884 的所有好處，具備 ±20kV ESD 保護、LED 狀態(tài)和報警指示器、以及耐用的 USB 連接器。當然，不需要驅(qū)動器和軟件，即插即用!

圖 3：基于 LTM2884 的 LTP2884 USB 串聯(lián)隔離器

LTM2884 也已用于凌力爾特的 DC2026 Linduino One 隔離式 Arduino 兼容演示電路板。Linduino 與流行的 Arduino Uno 開源電子產(chǎn)品原型生成平臺兼容，所采用的 Arduino 硬件由一個 Atmel 微控制器和一個自導程序組成，允許在電路內(nèi)部快速進行固件更新。該軟件是一種基于 AVRGCC 編譯器的簡單 C 語言編程環(huán)境。凌力爾特運用 Linduino 為具備 I2C 或 SPI 等數(shù)字接口的 IC 演示和分配固件庫。LTM2884 斷開地至 PC 的連接，允許連接至 Linduino 的設備之地電位與控制 Linduino 的電腦之地電位不同。

結(jié)論

需要隔離的 USB 應用的數(shù)量仍然在增加，尤其是出于安全性和可靠性原因，在工業(yè)和醫(yī)療行業(yè)增加顯著。LTM2884 很有吸引力，因為它與較老的分立式解決方案相比，具有明顯優(yōu)勢，例如采用小型封裝提供數(shù)據(jù)加電源隔離。2500VRMS 的電氣隔離、自動速度選擇、出色的共模抑制、高 ESD 和低 EMI 均有助于加速可靠的設計。此外，由于無需包括如電源去耦電容器等的外部組件，因此會受到如 LTP2884 或 DC2026 等很多空間受限 USB 應用的歡迎。像 LTM2884 這樣的高集成度器件早就該有了……既然現(xiàn)在已經(jīng)有了，就讓 USB 在最嚴苛的環(huán)境中枝繁葉茂地應用吧!