通用串行總線(USB)集線器隔離器電路圖
電路功能與優(yōu)勢
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RS-232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,但苦于沒有很好的方式來為控制危險(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,它也可以用于隔離主機(jī)。為此,必須先解決幾個(gè)問題。ADuM4160上游和下游的緩沖器完全相同,均能驅(qū)動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。
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改變,而主機(jī)應(yīng)用則不同,必須隨機(jī)應(yīng)變。ADuM4160通過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),它無法工作。解決這一問題的最佳辦法是將ADuM4160與一個(gè)集線器控制器相結(jié)合使用。
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可以很容易對其進(jìn)行隔離,而下游端口的速度則由集線器控制器處理。集線器控制器轉(zhuǎn)換不同速度的外設(shè),以便與上游端口速度相匹配。圖1電路顯示在某個(gè)設(shè)計(jì)中如何使用一個(gè)雙端口集線器芯片來隔離兩個(gè)下游主機(jī)端口,這種處理可以使設(shè)計(jì)完全符合USB規(guī)范。
ADuM4160提供了一種經(jīng)濟(jì)簡單的方式來實(shí)現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)療外設(shè)隔離緩沖器。利用該器件的挑戰(zhàn)在于必須將其與集線器芯片配對,以構(gòu)建完全兼容的主機(jī)端口。與任何外設(shè)隔離一樣,ADuM4160和集線器提供如下功能特性:
在上游直接隔離集線器芯片的USB D+和D?線路,使集線器能夠管理下游主機(jī)端口活動。
針對不需要外部控制線路的控制數(shù)據(jù)流實(shí)施自動控制方案。
提供醫(yī)用級隔離。
允許創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)符合USB-IF認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)端口。
支持全速信號速率。
支持靈活的電源配置。
本應(yīng)用電路的目標(biāo)是像全速外設(shè)一樣對集線器進(jìn)行隔離。集線器或主機(jī)功能要求為各下游端口提供2.5 W功率。隔離器下游側(cè)的電源以及集線器和端口的電源是作為解決方案的一部分而提供。本應(yīng)用電路是許多醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的典型電路。
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。集線器芯片必須提供未使用ADuM4160時(shí)所需要的所有信號和上拉/下拉電阻。所選的集線器芯片為 SMSC USB2512雙端口USB集線器控制器,它具有低成本和小尺寸的特點(diǎn)。此外,還可以使用相同尺寸的4通道版本。本設(shè)計(jì)為全功能型,通過MIC2026配電開關(guān)支持各通道的限流功能,并具有充足的離線穩(wěn)壓電源,可為下游各通道提供2.5 W功率。下游側(cè)的電源由一個(gè)壁式電源適配器和ADP3339 LDO調(diào)節(jié)器(5 V選項(xiàng))提供。此器件可提供非常低的壓差,從而降低了對壁式電源適配器的調(diào)節(jié)要求。其小尺寸特點(diǎn)和1.5 A電流能力非常適合這種通用電路,其下游外設(shè)可能需要電纜的全部功率才能工作。
ADuM4160具有多種電源、速度和保護(hù)選項(xiàng),必須加以確定。外設(shè)以三種速度之一運(yùn)行:低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。ADuM4160不支持高速運(yùn)行,會阻止用于協(xié)商該速度的握手信號。所選的集線器芯片支持高速運(yùn)行,但ADuM4160的正常運(yùn)行不允許這種模式。必須通過SPU和SPD引腳的狀態(tài)將ADuM4160設(shè)置為以全速工作。在目前的原理圖中,SPU和SPD引腳連接到3.3 V穩(wěn)壓電源VDD1和VDD2,從而將器件設(shè)置為全速運(yùn)行。
可以通過VBUSx引腳提供5 V電源。3.3 V信號電壓由內(nèi)部3.3 V調(diào)節(jié)器在VDDx引腳產(chǎn)生。另一種選擇是直接向VBUSx和VDDx提供3.3 V電源。器件能夠檢測到這種配置,并直接使用3.3 V電源,禁用內(nèi)部調(diào)節(jié)器。出于說明需要,ADuM4160配置為接受一個(gè)3.3 V外部電源,并且旁路內(nèi)部調(diào)節(jié)器。VBUS2和VDD2引腳短路連在一起,由ADP3330 LDO調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的3.3 V外部電壓供電。
ADuM4160還提供一個(gè)選項(xiàng),可以在外設(shè)控制下延遲應(yīng)用上游上拉電阻。此功能由PIN輸入控制。在本應(yīng)用中,PIN輸入短路至高電平,因此,只要對集線器芯片施加電源,就會用到上游上拉電阻。在有些應(yīng)用中,可以將它連接到一個(gè)控制器的GPIO引腳,可以采用一個(gè)固定延遲電路,或者可以像本電路一樣連接。如何使用此功能取決于設(shè)計(jì)人員。
本電路還顯示了EOS/ESD保護(hù)器件。這些器件選自那些提供各種不同器件的制造商,所選的特定器件允許用0 Ω短路電阻予以代替,以便將其從電路中移除。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮保護(hù)器件選擇,包括不需要外部保護(hù)到需要全套瞬變抑制器和濾波器元件的各種情況。本應(yīng)用電路所包括的元件是可以使用的典型元件。
當(dāng)電路工作時(shí),會進(jìn)行包檢測,并將數(shù)據(jù)從隔離的一側(cè)傳送到另一側(cè)。圖2和圖3所示的數(shù)據(jù)分別以時(shí)域數(shù)據(jù)和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。
圖2. ADuM4160上游端口驅(qū)動的全速測試包流量
在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中,需要注意的特點(diǎn)是包開始時(shí)為無源空閑狀態(tài),它會轉(zhuǎn)換為受驅(qū)J狀態(tài),還有處理結(jié)束時(shí)的包末尾顯示為單端0狀態(tài),其后是空閑J狀態(tài)。正是這種自動控制流和對這些特殊邏輯狀態(tài)的處理,才使ADuM4160芯片得以實(shí)現(xiàn),并且是市場上獨(dú)一無二的。
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