电子工程师必备：ADuM4160 USB隔离器电路设计解析

在电子设备的设计中，USB接口已成为连接各种外设的标准配置。然而，在工业和医疗设备领域，由于安全和性能的要求，需要对USB接口进行隔离。今天，我们就来深入探讨基于ADuM4160的USB电缆隔离器电路设计。

文件下载：EVAL-CN0159-EB1Z.pdf

电路概述

Circuits from the Lab提供的经过测试的电路设计，能解决常见的设计挑战，并且便于系统集成。本次涉及的电路主要包含ADuM4160全/低速USB隔离器、ADuM1100数字隔离器和ADuM5000隔离式DC - DC转换器。

电路评估与设计支持

• 评估板：CN - 0159电路评估板，为电路的评估和测试提供了硬件基础。
• 设计与集成文件：包含原理图、布局文件和物料清单等，方便工程师进行设计和生产。

电路功能与优势

USB接口的现状与挑战

USB接口凭借其高速、灵活和支持设备热插拔的优势，正迅速成为大多数PC外设的标准接口，逐渐取代RS - 232和并行打印机端口。然而，工业和医疗设备制造商虽然也希望使用USB总线，但由于缺乏有效的隔离方案，导致其应用推广缓慢。

ADuM4160的应用与问题

ADuM4160主要作为外设USB设备的隔离元件，但在创建隔离电缆功能时，存在一些问题。例如，ADuM4160的上下游缓冲器虽然相同且能驱动USB电缆，但下游缓冲器需能适应连接的全/低速外设，而上游连接要像外设，下游连接要像主机。并且，ADuM4160通过引脚硬连线到单一速度，当连接错误速度的外设时会出现问题。解决方法是将其与集线器控制器结合使用，但在某些情况下，单速电缆从实际角度来看是可以接受的，此时可省去集线器芯片，使设计更小巧简单。

ADuM4160的隔离功能

ADuM4160为医疗和工业外设提供了一种经济且简便的隔离缓冲实现方式。它能直接隔离电缆的USB D + 和D - 线，实现自动的数据控制流方案，无需外部控制线，提供医疗级隔离，支持全/低速信号速率，并支持通过电缆进行隔离电源传输。

电路详细描述

电源供应

上游USB连接器的电源来自USB电缆上的5V VBUS电压。该电压驱动ADuM5000，为ADuM4160的下游侧创建VBUS2电压，可为外设提供高达100mA的功率。ADuM5000因其高隔离电压和小尺寸而被选用，能为鼠标、键盘和记忆棒等小型总线供电设备提供足够的功率。

速度选择

外设设备运行速度有低（1.5Mbps）、全（12Mbps）和高（480Mbps）三种，ADuM4160不支持高速操作，会阻止用于协商高速的握手信号。在本电路中，通过开关和单通道隔离器，用户可通过设置SPU和SPD引脚选择全或低速电缆速度。

电源配置

ADuM4160的上下游两侧均从VBUSx线和内部稳压器获取电源。同时，ADuM4160可在周边设备的控制下延迟上游上拉的应用，在本应用中，PIN输入短路至高电平，以便在外设电源接通时立即应用上游上拉。

保护装置

电路中使用了保护装置，这些装置可根据设计需求进行选择和调整。设计师可根据实际情况决定是否需要外部保护，以及需要何种程度的保护。

数据传输

当电路正常工作时，数据包被检测到并在隔离屏障的两侧传输。通过图3和图4的时域数据和眼图可以看到典型的全速事务，ADuM4160芯片的自动控制流和对特殊逻辑状态的处理使其在市场上具有独特性。

隔离性能

电缆设计对高达2.5kV的瞬态干扰与上游数据连接完全隔离。未来的isoPower®模块将实现电缆的5kV全医疗隔离。下游端口由上游VBUS1线供电，最大可用功率为5V/500mA，可满足ADuM5000和100mA外部负载的运行需求。

电路评估与测试

所需设备

进行电路评估和测试需要一个具有上下游数据路径的USB数据端口连接、CN0159通用串行总线（USB）电缆隔离器电路板或等效电路板、两根USB电缆和一台高速数字示波器。

测试说明

电路说明中包含了电路描述、原理图和测试设置的示意图，详细介绍了如何进行测试和获取数据。相关的设计支持文件可在http://www.analog.com/CN0159 - DesignSupport获取。

总结

基于ADuM4160的USB电缆隔离器电路为工业和医疗设备的USB接口隔离提供了一种有效的解决方案。虽然该电路不能完全符合USB标准，但在实际应用中具有一定的实用性。电子工程师在设计过程中，可根据具体需求对电路进行调整和优化，以满足不同设备的要求。大家在实际设计中是否也遇到过类似的隔离问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。