用于嚴(yán)苛環(huán)境的隔離式 USB 2.0 和電源

引言

如果用標(biāo)準(zhǔn) USB (通用串行總線) 電纜將臺(tái)式 PC 連接到工業(yè)設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備，可能立刻就會(huì)得到一個(gè)昂貴的教訓(xùn)。PC 和所連接的設(shè)備很有可能連到了地電位不同的插座上。因此 PC 與設(shè)備連接后，USB 電纜可能在這兩臺(tái)設(shè)備之間提供了一個(gè)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(shè)備 (例如便攜式掃描儀) 取代 PC，那么你的困境可能是，面對(duì)著一個(gè)無(wú)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)是上世紀(jì) 90 年代中期制定的，制定時(shí)從未考慮用在有噪聲的環(huán)境中。USB 本打算用來(lái)在相對(duì)安靜的家庭或辦公環(huán)境中，通過(guò)短距離將低功率外設(shè)連接至 PC。而今天，USB 由于速度和易用性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)變得廣受歡迎了，設(shè)計(jì)師依靠 USB 連接電腦與眾多定制外設(shè)，在這種情況下，顯然在某些應(yīng)用中需要隔離，尤其是在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域。市場(chǎng)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(wú)源組件，因此形成了較大和比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)。一種更加簡(jiǎn)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(jiǎn)化了任何隔離式 USB 2.0 集線器或外設(shè)設(shè)計(jì)，為用于嚴(yán)苛環(huán)境做好了準(zhǔn)備。

芯片級(jí)隔離與電源

電氣隔離用在各種行業(yè)中，最常見(jiàn)的是提供安全保護(hù)，防止?jié)撛谄茐男院艽蟮碾妷簩?dǎo)致設(shè)備損壞。隔離還用來(lái)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(gè)隔離式系統(tǒng)，除了隔離勢(shì)壘組件本身，在隔離勢(shì)壘兩側(cè)還需要若干無(wú)源和有源組件。隔離勢(shì)壘組件是出了名的難用，顯著增加了隔離式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間和成本?？紤]到這一點(diǎn)，凌力爾特公司開(kāi)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(shè)計(jì)減少為僅需插入一個(gè)模塊，無(wú)需任何復(fù)雜的隔離勢(shì)壘組件。實(shí)際上，μModule 隔離器根本無(wú)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(gè) 15mm x 15mm x 5mm 表面貼裝 BGA 封裝中，集成了一個(gè) USB 2.0 收發(fā)器、一個(gè)無(wú)光耦合器的反激式轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)超低靜態(tài)電流 LDO 和所有需要的無(wú)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(wú)磁芯變壓器以穿越 2500VRMS 隔離勢(shì)壘傳遞數(shù)據(jù)，而專(zhuān)用 IC 則負(fù)責(zé)為兩個(gè) USB 通道和兩個(gè)數(shù)據(jù)方向執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和接收功能。隔離勢(shì)壘任一側(cè)的 USB 信號(hào)被編碼為脈沖，并使用差分信號(hào)傳輸通過(guò)在 μModule 襯底中形成的無(wú)磁芯變壓器橫跨隔離邊界進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)備有數(shù)據(jù)刷新、差錯(cuò)校驗(yàn)、故障安全停機(jī)和可承受極高的共模，為雙向信號(hào)隔離提供了一款堅(jiān)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(gè)具原邊電壓檢測(cè)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?fù)?/strong>提供了一款簡(jiǎn)單、靈活，容錯(cuò)和相對(duì)高效的設(shè)計(jì) (效率約為 65%)。LTM2884 具有兩個(gè)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(gè) 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(shè)能夠利用高達(dá) 1W (200mA/5V) 的隔離電源;否則，當(dāng)連接至一個(gè)高于 8.6V 的外部電源時(shí)則可為外設(shè)提供 2.5W (500mA/5V) 功率!簡(jiǎn)化堅(jiān)固的設(shè)計(jì)

LTM2884 與 USB 2.0 全速 (12Mbps) 和低速 (1.5Mbps) 運(yùn)行模式兼容。參見(jiàn)圖 2，LTM2884 檢測(cè)下游端口所連接的 USB 設(shè)備的速度，然后設(shè)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(guò)監(jiān)視下游空閑狀態(tài)并以恒定速率刷新跨隔離勢(shì)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(shí)間超過(guò) 3ms，那么 LTM2884 就可以進(jìn)入暫停模式，以使該器件本身的功耗降至 500μA 以下。這種自動(dòng)速度選擇功能無(wú)需設(shè)定跨接線或配置軟件，從而實(shí)現(xiàn)了真正的即插即用式設(shè)計(jì)。

圖 2：LTM2884 自動(dòng)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(hù)設(shè)備免受地電位差損害，但是還需要其他保護(hù)機(jī)制來(lái)抵御有噪聲環(huán)境中常見(jiàn)的噪聲、瞬變和浪涌。電氣隔離的主要好處之一是，隔離勢(shì)壘能夠擋住高電壓，從而無(wú)需其他保護(hù)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(zhǎng)達(dá) 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(guò)連至電源的隔離勢(shì)壘承受 ±15kV HBM。高 ESD 額定值歸功于仔細(xì)設(shè)計(jì)的高性能隔離勢(shì)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(dú)特地通過(guò)瞬變事件無(wú)差錯(cuò)工作，同時(shí)發(fā)送 USB 數(shù)據(jù)。

LTM2884 對(duì)于 RF 和磁場(chǎng)擁有強(qiáng)大的承受能力，而且對(duì)相鄰組件也沒(méi)有影響，不產(chǎn)生高 EMI (電磁干擾)。LTM2884 中采用的 μModule 隔離器技術(shù)已經(jīng)過(guò)獨(dú)立機(jī)構(gòu)評(píng)估，在測(cè)試中成功達(dá)到了歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 55024 對(duì) RF 和磁場(chǎng)承受能力的要求，這按照 EN 61000-4-3 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，設(shè)計(jì)和布局方法還允許 LTM2884 最大限度地減小 EMI，使其達(dá)到遠(yuǎn)低于 CISPR 22 Class B 限制的水平，從而無(wú)需采用復(fù)雜的 EMI 屏蔽和抑制技術(shù)。

隔離式 USB 應(yīng)用

當(dāng)隔離 USB 端口時(shí)，沒(méi)有太多電路配置工作。如 LTM2884 之類(lèi)的隔離組件既可以放置在外設(shè)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(jī)的輸出端。憑借上述特點(diǎn)，無(wú)論哪種最終應(yīng)用或細(xì)分市場(chǎng)，LTM2884 幾乎適合于任何 USB 設(shè)備。該μModule 的占板面積為 225mm2，所需電路板空間最小，同時(shí)幾乎所有電氣規(guī)格都經(jīng)過(guò)測(cè)試，并保證工作在 -40°C 至 105°C 的工作溫度范圍。UL 1577 組件級(jí)認(rèn)證正在進(jìn)行中，而且 LTM2884 滿足醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn) IEC 60601-1 的所有要求，極少數(shù)要求 A.C. 測(cè)試電壓高于 2500kVRMS 的雙 MOOP (操作者保護(hù)方法) 和雙 MOPP (患者保護(hù)方法) 測(cè)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(guò)絕緣針對(duì)數(shù)據(jù)提供 100μm 距離，針對(duì)電源提供 114μm 距離，這些與安全有關(guān)的參數(shù)將有助于 USB 系統(tǒng)滿足各種不同設(shè)備級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

LTM2884 適用范圍如此廣泛，因此在該器件公開(kāi)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(yīng)用于多種設(shè)計(jì)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(dú)立器件，用作一個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)，還可以作為一個(gè)獨(dú)立器件購(gòu)買(mǎi)，以便能夠在工作環(huán)境中快速部署 USB 隔離。LTP2884 采用堅(jiān)固的小型封裝，提供 LTM2884 的所有好處，具備 ±20kV ESD 保護(hù)、LED 狀態(tài)和報(bào)警指示器、以及耐用的 USB 連接器。當(dāng)然，不需要驅(qū)動(dòng)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(kāi)源電子產(chǎn)品原型生成平臺(tái)兼容，所采用的 Arduino 硬件由一個(gè) Atmel 微控制器和一個(gè)自導(dǎo)程序組成，允許在電路內(nèi)部快速進(jìn)行固件更新。該軟件是一種基于 AVRGCC 編譯器的簡(jiǎn)單 C 語(yǔ)言編程環(huán)境。凌力爾特運(yùn)用 Linduino 為具備 I2C 或 SPI 等數(shù)字接口的 IC 演示和分配固件庫(kù)。LTM2884 斷開(kāi)地至 PC 的連接，允許連接至 Linduino 的設(shè)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(yīng)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?yàn)樗c較老的分立式解決方案相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)，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(dòng)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(shè)計(jì)。此外，由于無(wú)需包括如電源去耦電容器等的外部組件，因此會(huì)受到如 LTP2884 或 DC2026 等很多空間受限 USB 應(yīng)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(yán)苛的環(huán)境中枝繁葉茂地應(yīng)用吧!