CN0550

※Rev.0 を翻訳したものです。最新版は英語資料をご覧ください。

USB デジタル・アイソレーション

CN0550 は、ADuM3165 デジタル・アイソレータを使って、ホストとペリフェラル・デバイス間にある USB データ・ラインのガルバニック絶縁を行います。ADuM3165 はロー・スピード（1.5Mbps）、フル・スピード（12Mbps）、およびハイ・スピード（480Mbps）の USB 2.0 をサポートし、3.75kV rms の絶縁電圧定格を備えています。

ADuM3165 はアナログ・デバイセズの iCoupler^®技術を利用してデジタル・ラインの絶縁を行っており、ユーザが介在することなく適切なデータ転送速度を自動的にネゴシエートすることができ、外部回路も不要です。

ADuM3165 の回路を図 2 に示します。このデバイスは高集積なので、図では絶縁構造計が大幅に簡略化されています。USB コネクタからの信号を除いて、デバイスの動作に必要な唯一の外部回路は、内部フェーズ・ロック・ループ（PLL）用の 24MHzリファレンス・クロック源です。このクロック源は、XI ピンとXOピンの間に水晶発振器を接続するか、ホスト・コントローラからの24MHzクロック源を XIピンに接続してXO状態をフロート状態のままにすることによって実現できます。CN0550 では、XI ピンと XO ピンの間に、24MHz の水晶発振器と必要な負荷容量が接続されています。

ADuM3165 への電力は、V_BUS1 ピンと V_BUS2 ピンに+5V で供給されます。V_BUS1は USB ホスト・コネクタに直接接続し、V_BUS2 は絶縁型5V電源に接続します。内部低ドロップアウト（LDO）レギュレータは、内部回路に必要な+3.3V の V_DD1および V_DD2電源を生成します。LDO の消費電力により動作時の最大周囲温度はわずかに低下します。詳細については ADuM3165 のデータシートを参照してください。

ハイ・スピード USB が電気的条件を満たしていることを検証するために、CN0550 を使用して 2 つの信号品質テストを行いました。遠端のアイ・ダイアグラムを図 3 に、近端のアイ・ダイアグラムを図 4 に示します。

絶縁型 USB 電源

フォトカプラ不要の LT8301 マイクロパワー絶縁型フライバック・コンバータは、ペリフェラル側の 5Vバス電源を絶縁します。このデバイスは、入力電圧に応じて最大 6W の絶縁出力電力を供給できるので、ロー・パワーとハイ・パワー両方の USB 2.0デバイスに使用できます。図 5 に、CN0550 に使用する絶縁型フライバック回路構成の簡略図を示します。

CN0550 では、LT8301が、巻数比 3:1のフライバック・トランスと 40µH の 1 次側インダクタンスを使って絶縁型電源を構成しています。1 次巻線には、漏れインダクタンスによって生じる高電圧スパイクからデバイスを保護するために、ダイオード・ツェナー・スナバが接続されています。2 次側ではダイオードが整流を行い、5A の順方向電流と 30V の逆電圧に対して定格が定められています。また、出力電圧のリップルを減らすために、150µF のコンデンサが使われています。ホスト側の 5V バス電力を使用するロー・パワーUSB 2.0 デバイスには標準的な 100mAの最大負荷電流が流れますが、このコンポーネントの組み合わせが、この要求を満たす設計を可能にしています。

更にこの回路は、8V 以上の外部電源にハイ・パワーUSB 2.0 デバイスを接続した場合に流れる、500mA の最大負荷電流に対応できます。入力電圧を上げればこれ以上の負荷電流への対応も可能で、最大入力電圧 32V では 1.3A まで供給できます。これらのコンポーネントを選択する際の一般的な設計手順については、LT8301 のデータシートを参照してください。

ADuM3165 の絶縁電圧定格は 3.75kV rms で、LT8301 の最大入力電圧は 42V ですが、これらのパラメータは、このアプリケーションに使用するトランスの仕様によって制限されます。CN0550 に使用するフライバック・トランスは 1.5kV rms の絶縁でテストされますが、設計は IEC61558-2-16 に定める動作電圧50V rms における 1 次回路の基本絶縁のみに準拠しています。このトランスは、ほとんどの実験室用試験および計測アプリケーションの絶縁に適しています。

LT8301 の出力電圧は、SW ピンと R_FB ピンの間に接続された外付けの帰還抵抗によって設定され、その値は式 1 を使って計算します。

ここで、
R_FBは必要な帰還抵抗（単位：Ω）、 
N_PSはトランスの 1 次巻線と 2 次巻線の実効巻数比、 
V_OUTは出力電圧、 
V_Fは出力ダイオードの順方向電圧です。

必要出力電圧が 5V、巻線比が 3:1、出力ダイオードの順方向電圧が 0.3V の場合は、式 1 から R_FBの値が 159kΩ となるので、これに最も近い標準 1%抵抗値である 158kΩ のものを使用できます。しかし実際には、LT8301 固有のサンプリング方式によって出力電圧に誤差が生じる可能性があります。この場合は式 2 を使い、実際の出力電圧に基づいて帰還抵抗を調整することができます。

ここで、
R_FB(FINAL)は調整後の帰還抵抗（単位：Ω）、 
V_OUT(MEAS)は実測出力電圧（単位：V）です。

目標 V_OUTが 5.0V、実測 V_OUTが 5.26V、R_FBの初期値が 158kΩ の場合は、式 2 から抵抗値は 150.19kΩ となります。CN0550 には150kΩ ±1%の帰還抵抗が使われています。これらの値を使用して得られる負荷レギュレーションを図 6 に示します。