EVAL - ADuM4160EBZ USB隔离器评估板使用指南

一、引言

在基于PC的系统中，USB已取代RS - 232等旧通信标准，成为默认的串行通信端口。与其他标准相比，USB具有为外设供电、自动驱动安装和更高数据速率等增强功能。然而，USB在隔离方面存在困难，这限制了其在医疗和工业应用中的接受度。

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ADI公司推出了ADuM4160和ADuM3160 iCoupler® USB隔离器来解决总线隔离的难题。EVAL - ADuM4160EBZ USB隔离器评估板通过标准电缆或离散布线，可轻松与现有应用接口。该评估板预装了ADuM4160，但由于ADuM4160和ADuM3160电气特性相同且引脚兼容，用此板和元件进行的任何评估也直接适用于ADuM3160。若用户想在印刷电路板（PCB）上替换为ADuM3160，无需进行其他更改。

评估平台的设计目标包括：

1. 通过标准USB A型和B型连接器连接到系统。
2. 从USB主机或外部5.0 V或3.3 V电源获取电力。
3. 通过ADuM5000 isoPower® 直流 - 直流转换器为下游接口提供隔离电源。
4. 支持从5 V或3.3 V电源获取外部下游电源。
5. 为所有电源和信号路径提供测试点。
6. 支持低速和全速通信。
7. 支持枚举控制。
8. 支持外部静电放电（ESD）保护。
9. 支持xD + /xD - 线路中的共模扼流圈。
10. 支持VBUSx和GNDx线路中的铁氧体电感。

二、ADuM4160/ADuM3160的特性

ADuM4160和ADuM3160通过直接与USB xD + 和xD - 线路接口，支持全速和低速数据通信。这些设备设计为对USB数据流量透明，仅增加约与集线器和电缆相同的延迟。隔离器的特性包括：

1. 内置稳压器：允许ADuM4160和ADuM3160从5 V或3.3 V电源获取电力。
2. 上拉电阻控制：上游上拉电阻的应用由下游引脚PIN（引脚12）控制。
3. 速度设置：设备上下游的引脚SPU和SPD（分别为引脚5和引脚13）可设置隔离器的运行速度。
4. 接口连接：隔离器的上游侧（引脚1 - 8）连接到评估板左侧，通过B型连接器接口；下游侧（引脚9 - 16）连接到评估板右侧，通过A型连接器接口。

三、电源配置

3.1 上游侧

USB标准要求外围设备的上游端口从电缆上的5 V获取上拉电源，也可为外设功能供电，最大电流可达500 mA。ADuM4160和ADuM3160包含内部稳压器，可从(V_{BUSx})获取3.3 V用于数据传输和上拉电源。若外部提供3.3 V电源，用户可绕过此稳压器。评估板的电源可来自5 V电缆或连接到J5端子块EXT的外部电源，通过跳线JP1选择。若选择外部电源，ADuM3160和ADuM4160可配置为接受3.3 V或5 V。若提供3.3 V，需通过短接引脚1和引脚3（在JP3，3.3EXT上放置分流器）禁用内部稳压器。当USB总线为电源时，此跳线必须打开。

电源来源	IN SELU (JP1)	3.3EXT (JP3)
USB总线	USB (2和3)	打开
EXT 5.0 V	EXT (1和2)	打开
EXT 3.3 V	EXT (1和2)	短接

3.2 下游侧

USB标准不允许从外设端口获取电源，ADuM4160或ADuM3160下游侧的电源不能像上游侧那样来自电缆连接。若隔离器内置在外围设备中，可直接从外设电源获取电力；若未内置，则必须从外部电源获取或通过直流 - 直流转换器从上游总线电源获取。评估板涵盖了所有这些可能的电源配置。

下游端口的电源可通过端子块J3从外部5 V电源提供，或通过ADuM5000 isoPower隔离直流 - 直流转换器从上游USB电源总线获取。ADuM5000随评估板一起发货，若由上游USB电源总线提供隔离电源，必须将其焊接到评估板的U2位置。下游端口只能使用一种供电方法。

ADuM5000可为下游侧提供最大500 mW的功率。若下游端口需要更多功率，必须使用外部5 V电源选项。ADuM5000是为方便用户提供的，在最终应用中使用时，必须根据其数据手册中关于功耗和电磁干扰（EMI）缓解的注意事项进行评估。

下游电源的配置通过安装或卸载ADuM5000转换器、向J3或J4供电以及设置适当的跳线来完成。与ADuM4160或ADuM3160的上游侧一样，有一个内部稳压器，可从施加到(V{BUS2})的5 V电源为xD + 和xD - 信号线获取3.3 V电源。此外，若(V{BUS2})和(V_{DD 2})连接到3.3 V电源，则绕过稳压器，芯片直接使用该电压。IN SELD (JP3)跳线用于选择从5 V电源还是3.3 V电源获取电力。5 V电源可以是施加到J3的外部电压或ADuM5000，唯一的3.3 V电源是J4端子块。若使用外部电源，则不得在板上安装ADuM5000。

电源来源	IN SELD (JP3)	ADuM5000
USB总线	5 V/USB	安装
5 V (J3)	5 V/USB	未安装
3.3 V (J4)	3.3 V	未安装

3.3 接地方案

评估板由两个独立的接地和电源系统组成。此外，PCB底层有一个浮动电容结构，为ADuM5000直流 - 直流转换器提供EMI缓解。该结构由隔离边界两侧的浮动平面组成。为评估不同的EMI缓解方案，这些平面可以：

1. 保持浮动，对EMI影响最小。
2. 通过添加铜带并将其焊接到暴露的焊盘进行连接。
3. 通过安装在通孔位置C14和C19的安全电容进行连接。

此外，用户可选择通过C15 - C18对接地和电源平面进行电容耦合，以提供平面间的噪声旁路，减少ADuM5000电源的辐射发射。PCB顶部边缘的两个大螺丝孔用于连接上游接地平面和下游接地平面，允许以多种配置将PCB接地到系统。浮动平面设计为与所有过孔和其他板平面有0.4 mm的缩进。若使用浮动结构进行降噪，则不得将PCB用于高压测试。若最终设计需要这种结构，应将其构建在PCB的内层，以避免爬电和间隙问题。

四、其他设置

4.1 速度选择

ADuM4160和ADuM3160以固定的USB传输速度（低速或全速）工作。设备上下游的SPU引脚和SPD引脚通过评估板上的跳线设置速度，为确保正常运行，两个速度跳线必须设置为相同的速度。

SPU (JP4)	SPD (JP5)	速度
短接SPU全	短接SPU低	低速 (1.5 Mbps)
短接SPD全	短接SPD低	全速 (12 Mbps)

4.2 上拉控制

PIN引脚允许外设控制枚举和断开连接。当PIN为逻辑高电平时，ADuM4160或ADuM3160上游侧的上拉电阻应用于适合USB速度模式的数据线，允许枚举和数据传输；当PIN为逻辑低电平时，上游上拉电阻断开，使上游端口表现得好像该端口不存在。

此功能允许外设通过延迟应用上游上拉电阻，直到准备好在总线上枚举，从而延迟与主机的通信。若不需要此功能，将PIN连接到(V_{DD2})，当下游电源都通电时，上拉电阻将应用于上游侧。

跳线JP6用于控制PIN。一个10 kΩ电阻将PIN输入拉高。当在JP6上放置分流器时，PIN被拉低，为PIN提供默认高电平状态，允许立即枚举。

PIN (JP6)	上游上拉状态
短接	断开
打开	连接

4.3 串联电阻

ADuM4160和ADuM3160支持的两种USB速度在收发器端子处需要不同的串联电阻值。

对于全速操作，R1、R2、R3和R4电阻必须使用24 Ω、1%的电阻。这些24 Ω电阻安装在评估板的基本配置中，若评估板以全速运行，则无需更改。

当ADuM4160以低速运行时，建议修改评估板的配置。对于低速操作，将R1、R2、R3和R4电阻替换为0 Ω、0805尺寸的表面贴装分流器。若阻抗不是关键因素，24 Ω电阻对低速性能影响不大，可在两种速度模式下保留。

4.4 测试点

评估板上包含八个测试点的位置，默认配置中不提供接头。提供了用于接地信号对的安装孔，这些孔适合中心间距为100 mil或200 mil的标准方形引脚。此配置与泰克®高频有源探头或标准接头的尺寸相匹配。若要获得合适的示波器接头，可使用3引脚SIP（2.54 mm间距）绕线接头并移除中心引脚，信号引脚可修剪以匹配探头的间距。若需要其他类型的连接，可将电线插入为这些连接提供的孔中。

4.5 可选组件

EVAL - ADUM4160EBZ评估板提供了在DD + /DD - 和UD + /UD - 数据线上安装共模扼流圈和外部ESD保护的选项。在位置FL1和FL2提供了1206尺寸的Wurth WE - CNSW扼流圈的位置，在位置D1和D2提供了ESD二极管组（安森美半导体®的NUP2202）的位置。此外，在位置R6 - R10提供了表面贴装铁氧体电感的焊盘。这些位置是为最终用户提供的便利，并非操作所必需。若要使用共模扼流圈，需移除R11、R12、R13和R14分流器。

五、评估板原理图和布局

文档中提供了评估板的原理图以及各层的布局图，包括第一层、第二层、第三层和第四层，这些图对于工程师理解评估板的结构和设计非常有帮助。

六、订购信息和物料清单

6.1 订购信息

文档未详细提及具体的订购信息，但可通过ADI公司的官方渠道获取。

6.2 物料清单

数量	参考编号	描述	制造商/零件编号
1	U1	被测设备 (DUT)	Analog Devices/ ADuM4160BRWZ
1	U2	DUT（随评估板发货；未安装）	Analog Devices/ ADuM5000ARWZ
7	C2, C6, C7, C8, C10, C11, C12	X7R, 0805, 电容器	Murata/GRM21BR71H104KA01L
3	C5, C9, C13	X5R, 0805, 电容器	Murata/GRM21BR61C106KE15L
1	J1	USB, Type A, PCB连接器	FCI/87520 - 0010BLF_ALT
1	J2	USB, Type B, PCB连接器	SAMTEC/USB - B - S - F - B - TH - R
1	J3	2位置螺丝端子	Wieland/25.161.0253
4	JP1, JP2, JP4, JP5	100 mil (2.54 mm) 3位置接头	Molex/22 - 03 - 2031
2	JP3, JP6	100 mil (2.54 mm) 2位置接头	Amphenol FCI/69157 - 102HLF
4	R11, R12, R13, R14	0805, 0 Ω, 电阻器	Panasonic/ERJ - 6GEY0R00V
1	R5	0805, 10 kΩ, 电阻器	Panasonic/ERJ - 6ENF1002V
5	不适用	100 mil (2.54 mm) 跳线	FCI/68786 - 302LF
9	R1, R2, R3, R4, R6, R7, R8, R9, R10	0805, 电阻器, 未安装	不适用
2	C1, C3, C4	0805, 电容器, 未安装	不适用
6	C14, C15, C16, C17, C18, C19	带引脚电容器位置, 未安装	不适用
2	D1, D2	瞬态电压抑制器 (TVS) 阵列, 未安装	ON Semiconductor/NUP2202W1T2G
2	FL1, FL2	SMD, 共模扼流圈, 未安装	Wurth Elektronik/744232261
2	J4, J5	2位置螺丝端子, 未安装	Wieland/25.161.0253
8	TP1, TP2, TP3, TP4, TP5, TP6, TP7, TP8	100 mil, 3位置接头, 未安装	Molex/22 - 03 - 2031

七、注意事项

7.1 ESD注意事项

该设备对静电放电（ESD）敏感，带电设备和电路板可能在无检测的情况下放电。尽管该产品具有专利或专有保护电路，但受高能量ESD影响的设备仍可能损坏。因此，应采取适当的ESD预防措施，以避免性能下降或功能丧失。

7.2 法律条款和条件

使用评估板即表示同意相关条款和条件。ADI授予客户免费、有限、个人、临时、非排他、不可再许可、不可转让的许可证，仅用于评估目的。客户不得出租、租赁、展示、销售、转让、分配、再许可或分发评估板，也不得允许任何第三方访问评估板。评估板未出售给客户，ADI保留所有未明确授予的权利，包括评估板的所有权。

客户不得拆卸、反编译或逆向工程评估板上的芯片，若评估板发生损坏或进行任何修改，应通知ADI。修改评估板必须符合适用法律，包括但不限于RoHS指令。ADI可随时书面通知客户终止协议，客户应在此时将评估板归还ADI。评估板按“现状”提供，ADI不提供任何形式的保证或陈述，ADI及其许可方对客户因占有或使用评估板而产生的任何附带、特殊、间接或后果性损害不承担责任，ADI的总责任限制为100美元。客户同意不直接或间接将评估板出口到其他国家，并遵守所有适用的美国联邦出口法律和法规。协议受马萨诸塞州联邦实体法管辖，任何与协议有关的法律诉讼将在马萨诸塞州萨福克县的州或联邦法院审理。

在使用EVAL - ADuM4160EBZ评估板时，工程师们需要仔细考虑上述各个方面，以确保评估工作的顺利进行和设计的可靠性。大家在实际应用中遇到过哪些与USB隔离器相关的问题呢？欢迎在评论区交流分享。