探索CN - 0158：USB隔离器电路设计与应用

一、引言

在电子设计领域，USB接口已成为大多数PC外设的标准接口，其高速、灵活和支持热插拔的特性使其逐渐取代了RS - 232和并行打印机端口。然而，在工业和医疗设备制造领域，由于需要对连接到危险电压设备或医疗应用中的低泄漏除颤防护连接进行隔离，USB接口的应用受到了一定限制。今天我们就来深入探讨Circuit Note CN - 0158中介绍的USB隔离器电路设计。

文件下载：EVAL-CN0158-EB1Z.pdf

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二、电路核心器件

（一）ADuM4160

ADuM4160主要作为外围USB设备的隔离元件。它具有支持全速信令速率、灵活的电源配置等特点。不过它不支持高速操作，会阻止用于协商高速的握手信号。在本电路中，需通过SPU和SPD引脚将其设置为全速运行，当前原理图中，这两个引脚连接到3.3V稳压电源VDD1和VDD2。

（二）ADP3339和ADP3330

ADP3339是一款高精度、1.5A的LDO稳压器，提供5V选项。它具有极低的压降，能降低墙上适配器的稳压要求，其小尺寸和1.5A的电流能力非常适合下游外设可能需要全电缆功率才能运行的通用电路。ADP3330则提供3.3V选项，用于为ADuM4160的下游侧提供3.3V外部电源，绕过内部稳压器。

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三、电路功能与优势

（一）隔离功能

该电路的主要目标是将集线器隔离，就像它是一个全速外围设备一样。ADuM4160直接隔离集线器芯片的USB D +和D -线，使集线器能够管理下游主机端口的活动，同时提供医疗级隔离。

（二）自动控制

实现了无需外部控制线的数据流量自动控制方案，使得数据能够在隔离屏障的两侧自动传输。

（三）符合标准

允许创建一个或多个符合USB - IF认证标准的主机端口，确保了电路的兼容性和可靠性。

（四）速度适应性

通过与集线器控制器结合，能够适应不同速度的外设。集线器控制器将不同速度的外设转换为与上游端口速度匹配，解决了ADuM4160只能硬连线到单一速度的问题。

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四、电路设计细节

（一）电源设计

上游USB连接器的电源来自USB电缆上的5V VBUS电压。下游侧的电源由墙上适配器和ADP3339 LDO稳压器提供。ADuM4160的电源可以通过VBUSx引脚提供5V，也可以直接向VBUSx和VDDx提供3.3V。在本电路中，下游侧配置为接受3.3V外部电源，由ADP3330 LDO稳压器生成。

（二）速度设置

由于ADuM4160不支持高速操作，必须将其设置为全速运行。通过将SPU和SPD引脚连接到3.3V稳压电源，实现了全速设置。

（三）EOS/ESD保护

电路中包含EOS/ESD保护设备，这些设备可根据设计需求进行选择和替换。设计师可以根据实际情况决定是否需要外部保护以及保护的程度。

很遗憾，再次搜索超时未能获取到“USB隔离器电路中EOS/ESD保护的设计要点”的拓展信息。我们接着探讨电路的测试与评估。

五、电路评估与测试

（一）评估板

ADuM4160隔离USB集线器评估板专门用于评估和测试本电路。详细的原理图和电路板图片可在相关文档中查看。

（二）所需设备

测试需要一个USB端口集线器连接（具有上下游数据路径）、ADuM4160隔离USB集线器、ADuM4160评估板、三根USB电缆和一台高速数字示波器。

（三）测试参考

上游全速信号质量测试参考USB 2.0规范的7.1.11节和7.1.2.1节；上游全速上升时间测试参考7.1.11节和7.1.2.2节；上游全速下降时间测试同样参考7.1.11节和7.1.2.2节。

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六、总结

CN - 0158电路为工业和医疗设备中的USB接口隔离提供了一个可行的解决方案。通过合理选择器件和精心设计电路，实现了USB集线器的隔离、速度适应和电源管理等功能。工程师在设计类似电路时，可以参考本电路的设计思路和方法，同时根据实际需求进行适当调整。大家在实际应用中，是否也遇到过类似的USB隔离设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。

如果你还想进一步了解该电路的相关内容，可以访问CN0158设计支持包（http://www.analog.com/CN0158 - DesignSupport）获取更多信息。