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评估硬件 $41.20
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评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • EVAL-CN0419-EBZ ($41.20) Isolated USB 2.0 Board
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优势和特点

  • 兼容USB 2.0
  • 翻转开关即可选择全速或低速
  • 为USB外设提供隔离电源

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    电路功能与优势

    通用串行总线(USB)被构建作为大多数计算机外设的标准接头。由于它具有出色的速度、灵活性，并且支持设备热插拔，因而几乎已经取代RS-232和并行打印机端口。工业和医疗设备制造商也强烈需要使用USB标准。然而，由于在医疗应用中，还没有一种好的方法来为控制危险电压或低泄漏、防纤颤连接的机器提供所需的安全可靠的连接隔离，所以采用速度一直很慢。 

    EVAL-CN0419-EBZ对采用USB接口，通过基于ADI公司的iCoupler® 技术的小型隔离式DC/DC转换器来为总线供电的外围设备实施电流隔离。图1所示的应用电路是许多医疗和工业应用所需的典型电路。此电路具有如下特性：

    1. 在上游直接隔离电缆的USB D+和D−线路。
    2. 针对不需要外部控制线路的数据流实施自动控制方案。
    3. 提供医用级隔离。
    4. 支持完整外设达到USB-IF认证标准。
    5. 支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信号速率。
    6. 为连接的外设提供高达92 mA的隔离电源。
    图1.USB电缆隔离器电路

     

    电路描述

    USB隔离

    USB是大多数计算机外设所选择的串行接口。它受所有常见的商业操作系统的支持，能够实现硬件的实时连接和驱动程序的加载。数据传输模式能够处理所有数据传输，从内存设备的大容量数据传输，到流媒体的同步传输，再到针对关键数据的中断驱动型传输，例如鼠标的移动。USB以三种数据传输速率运行：低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。
    图2.USB的标准元件

     

    USB物理层仅由四根线组成：两根为外围设备提供5 V电源和进行接地；另外两根，D+和D-，形成传输差分数据的双绞线，其信号电压为3.3 V。数据被组织成数据帧或数据包。每个帧可以包含时钟同步位、数据类型标识符、设备地址、数据有效载荷和包顺序的结束部分。

    对这种复杂数据结构的控制由串行接口引擎(SIE)在每根线缆的末端执行。这种特殊的控制器—或更大型控制器的一部分，通常包括USB收发器硬件，负责处理USB协议。它处理总线上的所有控制流，根据需要启用和禁用线路驱动器和接收器。

    开发USB隔离器面临的主要挑战在于正确确定数据传输方向，以及何时禁用驱动程序，从而允许进入空闲总线状态。USB以数据包为导向的性质使其可以采用简单的方法确定数据方法，无需采用整个SIE。当总线空闲时，上拉和下拉电阻使USB处于空闲状态，且没有缓冲区驱动总线。

    基于ADI公司的iCoupler技术的 ADuM4160 USB端口隔离器已经解决了这些挑战。 ADuM4160结构既可以检测数据流向，也能够控制输出缓冲的状态。根据一个个数据包确定数据方向。 ADuM4160将高速CMOS工艺与单片空芯变压器技术相结合，可提供出色的工作性能，并且很容易与低速和全速USB兼容外设集成。


    USB速度选择

    ADuM4160提供多个电源、总线速度和静电放电/电气过载(ESD/EOS)保护选项，必须选择确定。ADuM4160不支持高速运行，并会阻止用于协商该速度的握手信号。高速模式以全速配置开始，外设通过一个称为高速线性调频的过程请求高速支持。ADuM4160忽略该高速调频；因此，高速运行请求永远不会传递给主机，外设自动继续以全速运行。

    由于外设以一种单一速度运行，隔离器采用硬连接方式获得所需的速度设置，无论是全速或低速。为了让ADuM4160以全速或低速运行，必须正确配置SPU和SPD信号。在这个应用中，上游端设有开关，允许用户在低速和全速之间进行选择。采用光耦合器，将来自上游SPU引脚的同一个脉冲信号传输到下游的SPD引脚。

    若要在两种模式之间切换，请将S1开关按钮拨到全速(FS)模式进行全速操作，拨到低速(LS)模式进行低速操作。图3和图4显示了每种操作模式对应的开关位置。
    图3.全速操作模式对应的S1开关位置

     
    图4.低速操作模式对应的S1开关位置

     

    当电路工作时，会进行包检测，并将数据从隔离的一侧传送到另一侧。图5所示的数据以时域数据的形式展示了典型的全速处理情况。在实时数据中，需要注意的是数据包开始时的被动空闲状态，它会转换为受驱J状态，然后是处理结束时数据包末尾显示为单端0状态，其后是空闲J状态。正是这种自动控制流和这些特殊逻辑状态的处理，才使得ADuM4160芯片成功运行。
    图5.全速眼图形

     


    电源隔离

    驱动隔离式USB外设需要使用隔离式DC/DC转换器来为下游端口和电缆供电。为了满足USB规格要求，电缆的下游段必须为外围设备提供5 V电源。如 ADuM5020等隔离式DC/DC转换器，可以提供足够的剩余电力，为下游低功耗设备供电。

    ADuM5020 DC/DC转换器采用ADI公司的 iCoupler 技术，能够在带铁氧体的2层印刷电路板(PCB)上提供满负载时低于CISPR22 B类限制的稳压隔离电源。 它采用分离的控制器结构，集成隔离脉宽调制(PWM)反馈，将电流传输至次级端，然后根据VSEL引脚的设置整合和调整至3.3 V或5.0 V。

    ADuM5020提供高达100 mA的隔离电源。 ADuM4160 VBUS2引脚消耗8 mA，将剩下的92 mA留给外设使用。


    保护方案

    共模扼流圈和瞬态电压抑制(TVS)二极管分别被安装在DD+/DD−和UD+/UD−数据线路上，用于实现差分噪声和实施ESD保护。在ADuM5020上，铁氧体磁珠放置在VISO和GNDISO引脚之间，以降低180 MHz初级侧开关频率以及360 MHz次级侧整流频率和谐波的辐射。

    该电路完全隔离，可承受最高达5 kV的瞬变电压。它还支持共模电压；但不推荐用于执行安全相关测试，如耐高压测试等。这类测试应在器件级或生产板上进行。

    常见变化

    对于电压较低的绝缘电压解决方案（2.5 kV版本），ADuM4160也适用。该系列为USB外设和隔离式USB集线器等应用提供隔离。

    电路评估与测试

    CN-0419 使用EVAL-CN0419-EBZ USB隔离器电路板，该板专为评估与测试CN-0419中的电路而开发。图1显示了该电路的详图。


    设备要求


    • 带USB端口的PC、Mac或Linux计算机
    • EVAL-CN0419-EBZ电路评估板
    • 外围设备，例如USB闪存/EE硬盘、鼠标或键盘


    系统设置


    图6所示为测试设置。

     
    图6.测试设置

     


    设置


    将外设连接至EVAL-CN0419-EBZ的插座边缘。将设备插入PC的USB端口，自动打开设备。


    测试


    根据外设规格，将开关S1设置为全速或低速运行。

    对于低速外设，例如低速鼠标，将开关设置为低速，D4亮起绿色。对于全速外设，例如闪存盘，将开关设置为全速，D4亮起蓝色。

    当EVAL-CN0419-EBZ 连接PC时，连接的外设应正常运行。

    有关测试设置以及如何组合使用软件和硬件的完整信息和细节，请参阅ADI wiki知识库中的CN-0419用户指南。

     
    图7.EVAL-CN0419-EBZ评估板