隔離 USB 連接項(xiàng)目

在過(guò)去大量從事微控制器項(xiàng)目時(shí)，我了解到計(jì)算機(jī) USB 端口可能是脆弱的東西。簡(jiǎn)單地在端口上短接幾十伏電壓只會(huì)殺死它們——還有很多其他創(chuàng)造性的方法可以破壞主板上的 USB 功能！

我在市場(chǎng)上看到過(guò) USB 隔離設(shè)備，它們正好解決了這類(lèi)問(wèn)題（開(kāi)發(fā)人員對(duì)他們的設(shè)備做得不好），但是，我從來(lái)沒(méi)有真正花時(shí)間購(gòu)買(mǎi)。它總是看起來(lái)太貴了……直到下一個(gè) USB 端口死了。最終，您會(huì)考慮必須購(gòu)買(mǎi)新主板，并最終意識(shí)到從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這些設(shè)備可能物有所值。

話雖如此，在過(guò)去的兩年里，我一直有建立自己的 USB 隔離器的想法。您可以輕松購(gòu)買(mǎi)處理 USB 2.0 全速的數(shù)字隔離器 IC，也可以購(gòu)買(mǎi)輸出與運(yùn)行電壓相同的隔離電源。因此，在本文中，我將實(shí)現(xiàn)我擁有 USB 端口隔離設(shè)備的夢(mèng)想——這當(dāng)然早該實(shí)現(xiàn)了。

這應(yīng)該是一篇相當(dāng)簡(jiǎn)單的文章，討論了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的構(gòu)建，但如果你和我一樣，并且在處理項(xiàng)目時(shí)傾向于以新的和創(chuàng)造性的方式打破事物，我覺(jué)得你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這很有用。和我所有的其他項(xiàng)目一樣，這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)然會(huì)在GitHub上可用并且是開(kāi)源的，所以你可以隨心所欲地使用它；制造一個(gè)，出售一個(gè)，或使用該設(shè)計(jì)為您自己的項(xiàng)目添加 USB 隔離。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我又回到使用我的開(kāi)源 Altium Library，所以在這個(gè)項(xiàng)目的 GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)中沒(méi)有包含的庫(kù)文件，就像我以前的項(xiàng)目一樣。您可以在庫(kù)存儲(chǔ)庫(kù)中找到 SchLib 和 PcbLib 文件，或者如果您想在自己的項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)，則可以獲得一個(gè)免費(fèi)帳戶來(lái)訪問(wèn)該庫(kù)。

我只關(guān)注 USB 2.0，因?yàn)槲宜械?ARM 程序員和開(kāi)發(fā)工具包都在 USB 2.0 上運(yùn)行。目前，我擁有的任何東西都不能在 USB 3.0 上運(yùn)行，而且 ARM JTAG/單線調(diào)試設(shè)備不需要比現(xiàn)有帶寬更多的帶寬。這在未來(lái)可能會(huì)改變，但就目前而言，USB 2.0 隔離器將提供我需要的所有隔離，希望能夠避免我的 USB 端口受到進(jìn)一步的傷害。

隔離 USB 端口將是一個(gè)兩個(gè) IC/設(shè)備的過(guò)程，因?yàn)槲覀冃枰綦x電源線和數(shù)據(jù)線。開(kāi)發(fā)板上燒壞的東西可能會(huì)使高電壓或瞬變返回計(jì)算機(jī)并導(dǎo)致問(wèn)題。如果我們正在研究“尚未完全實(shí)現(xiàn)”的 RF 板或其他具有大量潛在電氣噪聲的電路板，噪聲也會(huì)降低電源連接并對(duì)計(jì)算機(jī)的其他外圍設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。

由于這些問(wèn)題，我正在尋找可以提供完全電氣隔離的東西，以使計(jì)算機(jī)免受我傾向于扔給它的壞東西（工程術(shù)語(yǔ)）的影響。在過(guò)去的項(xiàng)目中，我使用 Murata NXE 和 NXJ 系列電壓隔離模塊取得了巨大成功。它們是很好的小組件，包括完全隔離電源所需的一切。NXE2 系列特別令人感興趣，因?yàn)轭~定功率為 2 瓦，它幾乎能夠提供 USB 2.0 規(guī)范的全部 500mA。我之前沒(méi)有用開(kāi)發(fā)板最大化 USB 端口，好吧，至少不是正常使用，所以我覺(jué)得這應(yīng)該足夠了。它們的價(jià)格合適，并且它們的隔離規(guī)格非常好。

為了提供 5V 到 5V 的隔離，我將使用 Murata NXE2S0505MC。

NXE2S0505MC電源隔離原理圖

手冊(cè)建議使用 15uH 電感和 4.7uF 電容器組合作為該穩(wěn)壓器型號(hào)的輸入濾波器，以確保電磁兼容性，這非常重要。輸出濾波器也是電壓隔離器手冊(cè)中推薦的，減少了我在基于 RF 的項(xiàng)目中重視的輸出電壓紋波。

為了知道什么時(shí)候出現(xiàn)了可怕的錯(cuò)誤，我還在原理圖中添加了兩個(gè) LED。輸入端的綠色會(huì)告訴我們有來(lái)自計(jì)算機(jī)的電源，并且我們沒(méi)有導(dǎo)致 USB 端口因過(guò)流限制而關(guān)閉。藍(lán)色的會(huì)告訴我們我們還沒(méi)有（還）殺死電壓隔離器。

我將這些 LED 的電流限制為 5mA，因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員工具幾乎總是有令人眼花繚亂的 LED，我不希望我的電路板成為我視覺(jué)問(wèn)題的一部分。這確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)：我不能聲稱(chēng)開(kāi)發(fā)工具的 LED 太亮了，以至于我看不到我的示波器探頭已經(jīng)從我正在檢查的焊盤(pán)上漂移并短路了 USB 線！

將電源線隔離后，我們需要一個(gè)可以隔離 USB 數(shù)據(jù)線并仍然允許全數(shù)據(jù)速率通過(guò)它們的 IC。ADI 公司生產(chǎn)了一些非常好的隔離器件，其中ADUM4160BRIZ是一款專(zhuān)為 12Mbps 雙向 USB 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的器件。借助磁耦合和 5000Vrms 的隔離，即使是最有創(chuàng)造力的工程師也很難通過(guò)該設(shè)備破壞其 USB 端口。

ADUM4160BRIZ USB 信號(hào)隔離原理圖

我們通過(guò) 5V USB 電源為設(shè)備的兩側(cè)供電，因此 VDD 引腳需要有一個(gè)旁路/去耦電容器以穩(wěn)定運(yùn)行。我還拉起速度設(shè)置引腳，以便以全 USB 速度運(yùn)行。

由于我希望以全 USB 速度運(yùn)行，因此我們也需要在設(shè)備兩側(cè)的兩條數(shù)據(jù)線上都有 24 歐姆的終端電阻。這就是隔離 USB 數(shù)據(jù)連接的全部?jī)?nèi)容 — 如此簡(jiǎn)單！

將數(shù)據(jù)線和電源隔離開(kāi)后，您可能會(huì)覺(jué)得是時(shí)候布置電路板了——但我們還沒(méi)有完成。還有一點(diǎn)保護(hù)要添加到電路板上，那就是來(lái)自 Nexperia 的 USB 專(zhuān)用 TVS 二極管。這應(yīng)該有助于防止靜電放電引起問(wèn)題。

PRTR5V0U2X,215 ESD保護(hù)原理圖

我還使用 1uF 陶瓷電容器為電壓線增加了一點(diǎn)額外的電容。隔離器的輸入和輸出都具有相同的 TVS 二極管。

對(duì)于連接器，我為計(jì)算機(jī)端添加了一個(gè) USB Micro-B 連接器，因?yàn)楸M管 USB-C 的興起，它可能是該設(shè)備用戶可能在辦公桌上使用的最常見(jiàn)的電纜。

對(duì)于輸出端，我覺(jué)得 USB 2.0 A 連接效果最好。這將允許我使用最常用的電纜來(lái)充分利用這個(gè)隔離器。

由于構(gòu)建此板所需的組件很少，因此為大多數(shù)構(gòu)建布局非常快速且輕松。我可以把這個(gè)板子做得更小，但是我需要移動(dòng) TVS 二極管，這可能會(huì)降低它們的效率。在非常干燥的氣候中生活了幾年后，我開(kāi)始非常欣賞 TVS 二極管保護(hù)電子設(shè)備免受傷害的作用，所以我更希望電路板加長(zhǎng)10 毫米 ，并最大限度地發(fā)揮TVS 二極管的功能最好的。

一切都安排好了，現(xiàn)在我們需要繼續(xù)進(jìn)行阻抗控制和布線

USB 線應(yīng)具有 90Ω 差分阻抗的差分對(duì)。我們可以在層堆棧管理器中設(shè)置阻抗配置文件，但首先，我們需要設(shè)置層堆棧。我將在 0.8mm FR-4 中制作這些板，因此我將層堆疊設(shè)置為這樣。

一個(gè)簡(jiǎn)單的堆棧，帶有兩面涂有 1 盎司銅的 FR-4 電介質(zhì)

然后，我們可以使用底部的阻抗選項(xiàng)卡為 90Ω創(chuàng)建一個(gè)新的 USB 差分對(duì)。

阻抗曲線 D90 (USB) 具有 90Ω 的差分阻抗，具有 10% 的容差

對(duì)于像這樣只有一個(gè)差分對(duì)阻抗的電路板，我發(fā)現(xiàn)將濾波器用于差分對(duì)類(lèi)而不是特定的差分對(duì)更容易。這允許我用一個(gè)規(guī)則匹配所有差分對(duì)。應(yīng)用我們?cè)趯庸芾砥髦性O(shè)置的阻抗配置文件就像單擊“使用阻抗配置文件”復(fù)選框一樣簡(jiǎn)單。

PCB 規(guī)則和約束編輯器可以通過(guò)菜單設(shè)計(jì) > 規(guī)則訪問(wèn)

為了保持隔離，我們還應(yīng)該指定Altium Designer 20引入的新爬電距離規(guī)則。該規(guī)則將確保整個(gè)電路板上不同地平面之間的距離永遠(yuǎn)不會(huì)小于 2.5 毫米。我特別使用 2.5 毫米，因?yàn)檫@是板上兩個(gè)隔離設(shè)備提供的最小爬電距離。

Altium Designer 20 在規(guī)則編輯器中的新爬電距離規(guī)則

接下來(lái)，我們可以將間隙規(guī)則設(shè)置為相同的 2.5mm。新規(guī)則的優(yōu)先級(jí)需要增加才能生效。在下面的屏幕截圖中，您可以看到它位于列表的底部，這意味著它已被其他規(guī)則取代。

當(dāng)我布置電路板時(shí)，出于美觀原因，我決定將連接器移到電路板的中心線上。該新蛇路由風(fēng)格的作品與像USB軌道差分對(duì)真的很棒。不幸的是，我的 USB 走線不是很完美，因?yàn)槲也坏貌粚⑽⒖刂破饕粋?cè)放到底層才能將其連接到隔離器引腳。這不應(yīng)該影響隔離器的操作或 USB 性能，因?yàn)檫@是一個(gè)相當(dāng)短的偏差。

USB 數(shù)據(jù)線采用蛇形布線

在這一點(diǎn)上，電路板看起來(lái)很完整，但是，它可以通過(guò)幾個(gè)安裝孔來(lái)完成。這將允許使用支架或未來(lái)的外殼來(lái)進(jìn)一步防止 ESD。

兩個(gè)安裝孔可能方便安裝

在 3D 視圖中，我可以看到電感器可能離安裝孔太近了！

輕輕一推，一切看起來(lái)都有良好的間隙并且易于組裝。

電路板的最終 3D 視圖

盡管這個(gè)項(xiàng)目很簡(jiǎn)單，但我覺(jué)得它會(huì)成為一個(gè)讓我真正頭疼的板子。如果您想構(gòu)建自己的開(kāi)發(fā)板，您可以在GitHub上找到該開(kāi)發(fā)板的Altium Designer文件。我將訂購(gòu)一些板子，為那些傾向于使用正在開(kāi)發(fā)的電子產(chǎn)品作為攻擊計(jì)算機(jī)的武器的朋友制作一些額外的圣誕禮物。