ADUM4160全速/低速USB数字隔离器技术手册

概述

ADuM4160是一款基于ADI公司iCoupler®技术的USB端口隔离器。它将高速CMOS工艺与单片空芯变压器技术相结合，可提供优异的工作性能，并且很容易与低速和全速USB兼容外设集成。

许多微控制器实施的USB只向外部引脚提供D+和D−线路。这在许多情况下都符合需求，因为它仅需极少的外部器件，并简化了设计；不过，当需要隔离时，这会带来难题。USB线路必须自动在主动驱动D+/D−、接收数据与允许外部电阻设置总线空闲状态之间切换。ADuM4160结构既可以检测数据流向，同时能够控制输出缓冲的状态。数据流向根据一个个分组确定。

ADuM4160将基于边沿检测的iCoupler技术与内部逻辑结合使用，可实现透明、易于配置、面对上游的端口隔离器。隔离上游端口具有电路简单、电源管理和操作稳健等多种优势。

这款隔离器的传播延迟与标准集线器和电缆的传播延迟相当。它可以采用任一侧的3.1 V至5.5 V电源电压供电，并能在内部将该电压调节至信号电平，从而与VBUS直接相连。ADuM4160对上拉电阻进行隔离控制，以便外设能控制连接时序。该器件的空闲电流较低；需要挂起模式。
数据表：*附件：ADUM4160全速 低速USB数字隔离器技术手册.pdf

特性

• 完全兼容USB 2.0
• 低速和全速数据速率：1.5 Mbps和12 Mbps
• 双向通信
• xD+和xD−线路短路保护功能
• 3.3 V和5 V（双模电源配置） - 欲了解更多信息，请参考数据手册。
• 3A类接触式ESD性能，符合ANSI/ESD STM5.1-2007标准
• 工作温度最高可达105°C
• 高共模瞬变抗扰度：>25 kV/μs

应用

• USB外设隔离
• 隔离式USB集线器

功能框图

引脚配置描述

应用信息

功能描述

在 USB 规范中，D + /D - 线路的电气隔离实现颇具挑战，原因有以下几点。首先，通常需要访问输出使能信号来控制收发器，这就要求在隔离器中构建一定程度的智能，用于解读数据流并确定何时启用和禁用上游及下游输出使能。其次，信号必须在隔离器的输出侧准确重建，不能传递诸如振铃和预冲之类的瞬态信号，同时还要保留精确的定时，并传递诸如无效 SE0 和 SE1 状态等瞬态信号。此外，该部件在挂起模式下必须满足低功耗要求。

iCoupler 技术基于边沿检测，因此非常适用于 USB 应用。数据在器件中的传输是通过监测输入的活动状态和空闲状态，并据此设置传输方向来实现的。一旦确定了数据传输方向，数据就会一直传输，直到遇到数据包结束（EOP）或足够长的空闲状态。此时，耦合器会禁用其输出缓冲器，并监测输入的下一次活动。在数据传输期间，耦合器的输出侧会保持输出缓冲器使能。输出侧的耦合器输出缓冲器使能采用边沿检测方式，不会回绕。这样，数据只能在一个方向上流动，而不会回传至输入缓冲器，从而使 iCoupler 锁存。定时基于差分输入信号转换，包含阈值以消除因差分输入信号转换导致的伪影。输入状态会作为三个有效状态（J、K 或 SE0）之一跨隔离栅传输，并在输出侧以固定时间延迟从输入差分信号重建。

该耦合器没有专门的挂起模式，也不需要专门的挂起模式，因为当其电源电流低于挂起电流限值（2.5 mA）时，USB 处于空闲状态。

ADuM4160 设计用于通过隔离 D + /D - 线路与上游 facing 全速 USB 端口接口。上游 facing 端口仅支持一种速度操作；因此，与速度相关的参数（J/K 逻辑电平、D + /D - 摆率）设置为匹配上游端口的速度，面向下游的端口（见表 10）也是如此。

ADuM4160 下游侧的控制线路激活空闲状态上拉电阻，当下游端口连接到上游端口或 USB 总线时，该上拉电阻可被禁用。

PIN 输入可与 3.3 V 控制逻辑信号连接，具体取决于是否必须控制 V_{ISO} 轨的上电操作。

产品使用

ADuM4160 旨在集成到带有上游 facing USB 端口的 USB 外设中，如图 4 所示。其关键设计要点如下：

1. USB 主机通过电缆为 ADuM4160 的上游侧供电。
2. ADuM4160 的外设侧为下游侧供电。
3. 隔离器接口的 D + /D - 线路和外设控制器的 UD + /UD - 线路与电缆或主机的固定数据速率连接。外设设备的电缆或主机的数据速率在设计时设定，ADuM4160 必须匹配该速率。SPU 和 SPD 由用户配置，用于在耦合器的上游和下游侧设置此速度。
4. 当 UD + 或 UD - 线路被拉高时，USB 枚举开始。该事件下游侧的定时由耦合器的 PIN 输入控制。
5. 上拉和下拉电阻在耦合器内部实现，仅需外部串联电阻和旁路电容即可操作。

除了上拉电阻的延迟应用外，ADuM4160 对 USB 流量完全透明，无需修改外设设计即可提供隔离。隔离器为信号添加了传播延迟，与集线器类似。在确定菊花链中集线器的最大数量时，隔离的外设必须按存在集线器处理。

集线器可像任何其他外设一样进行隔离，通过将 ADuM4160 放置在集线器芯片的上游侧即可实现隔离集线器。这种配置可使耦合器计入两个集线器延迟。集线器芯片允许 ADuM4160 全速运行，同时保持与低速设备的兼容性。