通用串行总线（USB）外设隔离电路CN - 0160解析

在电子设计领域，USB接口凭借其高速、灵活和支持热插拔等优势，逐渐成为大多数PC外设的标准接口。然而，在工业和医疗设备中，由于需要对连接到危险电压机器的接口进行隔离，或者在医疗应用中实现低泄漏除颤防护连接，USB接口的应用受到了一定限制。今天我们就来详细探讨一下Analog Devices推出的USB外设隔离电路CN - 0160。

文件下载：EVAL-CN0160-EB1Z.pdf

一、电路概述

CN - 0160电路用于隔离已经支持USB接口的外设设备。该电路由Analog Devices的工程师设计和构建，经过了实验室环境下的测试和验证。不过，使用者仍需自行测试电路，以确定其是否适用于自己的应用场景。

1. 相关器件

• ADuM4160：全/低速USB数字隔离器，为医疗和工业外设提供了一种经济且易于实现的隔离缓冲解决方案。
• ADP3338：高精度、1A、低压差稳压器（5V输出选项），为下游侧提供电源。

2. 应用场景

此应用电路在许多医疗和工业应用中具有典型性。

二、电路功能与优势

1. 满足多种隔离需求

• 直接在USB D +和D - 线路中实现隔离，可利用微处理器中现有的USB基础设施。
• 实现了一种无需外部控制线的自动数据流控制方案。
• 提供医疗级隔离。
• 使完整的外设能够满足USB - IF认证标准。

2. 支持多种速率和电源配置

• 支持全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）信号速率。
• 支持灵活的电源配置，可通过VBUSx引脚提供5V电源，VDDx引脚的内部3.3V稳压器创建3.3V信号电压；也可直接向VBUSx和VDDx提供3.3V电源，禁用内部稳压器。

三、电路详细描述

1. 电源供应

• 上游USB连接器：电源来自USB电缆上的5V VBUS电压。
• 下游侧：由壁式电源和ADP3338 LDO稳压器（5V选项）提供电源。ADP3338具有非常低的压差电压，可降低壁式电源的稳压要求，其小尺寸（SOT - 223）和1A电流能力适用于需要电缆供电的外设设备。

2. ADuM4160的特性

• 速度设置：外设设备运行速度有低速（1.5 Mbps）、全速（12 Mbps）和高速（480 Mbps）三种，ADuM4160不支持高速运行，会忽略高速啁啾信号，使外设继续以全速工作。通过SPU和SPD引脚的状态设置，可使ADuM4160匹配外设的速度。在当前原理图中，SPU和SPD引脚连接到内部稳压的3.3V电源VDD1和VDD2，设置为全速运行。
• 电源选项：可通过VBUSx引脚提供5V电源，也可直接提供3.3V电源给VBUSx和VDDx，禁用内部稳压器。
• 上游上拉延迟：ADuM4160有一个选项，可在外部控制下延迟上游上拉的应用，由PIN输入控制。在本应用中，PIN输入跳线为高电平，使外设电源一接通就应用上游上拉；在其他应用中，可连接到控制器的GPIO引脚，或应用固定延迟电路。
• 保护装置：电路中包含保护装置，可根据设计需求选择不同的保护配置，从无外部保护到完整的瞬态抑制器和滤波元件。

3. 数据传输

当电路正常工作时，数据包被检测到，数据会从隔离屏障的一侧传输到另一侧。图2和图3展示了典型的全速事务，包括时域数据和眼图。实时数据中的特征包括数据包开始时的被动空闲状态，过渡到驱动J状态，事务结束时数据包的单端零状态后跟空闲J状态。ADuM4160独特的自动控制流和对这些特殊逻辑状态的处理使其在市场上具有独特性。

四、电路评估与测试

1. 所需设备

• 装有Windows® XP或Vista系统的PC
• USB数据端口连接
• ADuM4160评估板隔离适配器
• EVAL - 7991EBZ评估板和AD7991评估软件
• 两根USB电缆
• 高速数字示波器

2. 测试参考

• 上游全速信号质量测试参考：USB 2.0规范，第7.1.11节，第7.1.2.1节。
• 上游全速上升时间测试参考：USB 2.0规范，第7.1.11节，第7.1.2.2节。
• 上游全速下降时间测试参考：USB 2.0规范，第7.1.11节，第7.1.2.2节。

3. 注意事项

由于该电路的边缘速度较快，为了通过系统EMI/RFI测试，必须采用良好的布局、去耦和接地技术。可参考Tutorial MT - 031、Tutorial MT - 101和AN - 0971应用笔记获取相关指导。完整的设计支持包可在http://www.analog.com/CN0160 - DesignSupport找到。

五、常见变化

根据系统要求，可使用其他线性稳压器替代ADP3338，具体细节可参考ADIsimPower™设计工具。

六、学习资源

• CN0160设计支持包：http://www.analog.com/CN0160 - DesignSupport
• ADIsimPower™设计工具
• 相关应用笔记和教程，如AN - 0971、MT - 031、MT - 101等
• 器件数据手册和评估板信息，如ADuM4160、ADP3338、AD7991等

在设计电子电路时，你是否也遇到过类似的接口隔离问题？你是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。