通用串行總線(USB)正迅速成為大部分PC外設的標準接口。由于它具有出色的速度、靈活性，并且支持設備熱插拔，因而正在取代RS-232和并行打印機端口。

工業(yè)和醫(yī)療設備制造商也非常希望使用這種總線，但苦于沒有很好的方式來為控制危險電壓的機器連接或者醫(yī)療應用中的低泄漏防去顫連接提供必要的隔離，導致應用推廣相當緩慢。

ADuM4160提供了一種經濟簡單的方式來實現工業(yè)和醫(yī)療外設隔離緩沖器。需要解決的挑戰(zhàn)包括：

直接在USB D+和D?線路中隔離，以便使用微處理器中的現有USB基礎架構。

針對不需要外部控制線路的控制數據流實施自動控制方案。

提供醫(yī)用級隔離。

支持完整外設達到USB-IF認證標準。

支持全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)信號速率。

支持靈活的電源配置。

圖1所示的電路隔離了一個支持USB接口的外設。由于本電路沒有明確定義外設，因此隔離器副邊的電源已作為解決方案的一部分提供。如果在外設的PCB上構建該電路，則電源可以從外設的離線電源、電池或者USB電纜總線電源獲得，具體取決于應用需要。

這里所示的應用電路是許多醫(yī)療和工業(yè)應用的典型電路。

圖 1. 圖1. USB外設隔離器電路

電路描述

上游USB連接器所用的電源從USB電纜提供的5 V VBUS電壓獲得。外設必須提供未使用ADuM4160時所需要的所有信號和上拉/下拉電阻。下游側的電源由一個壁式電源適配器和 ADP3338 LDO調節(jié)器（5 V選項）提供。此LDO可提供非常低的壓差，從而降低了對壁式電源適配器的調節(jié)要求。其小尺寸(SOT-223)特點和1 A電流能力非常適合這種外設可能需要電纜供電才能工作的通用電路。

ADuM4160具有多種電源、速度和保護選項，必須加以確定。首先是外設的運行速度。外設以三種速度之一運行：低速(1.5 Mbps)、全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)。ADuM4160不支持高速運行，會阻止用于協商該速度的握手信號。高速模式以全速配置開始，外設通過一個稱為高速線性調頻的過程請求高速支持。ADuM4160忽略該高速線性調頻，因此高速運行請求永遠不會傳遞給主機，外設繼續(xù)以全速運行。

USB總線上的外設速度或者為低速，或者為全速。所需的速度由具體外設決定，必須通過SPU和SPD引腳的狀態(tài)將ADuM4160設置為與此速度匹配。在目前的原理圖中，SPU和SPD引腳連接到的3.3 V內部調節(jié)電源VDD1和VDD2，從而將器件設置為全速運行。

5 V電源可以通過VBUSx引腳提供，3.3 V信號電壓由內部3.3 V調節(jié)器在VDDx引腳產生。或者，也可以將該3.3 V電源提供給VBUSx和VDDx，器件直接使用外部電源，從而禁用內部調節(jié)器。提供此選項是為了讓ADuM4160既能采用5 V USB電纜供電，也能采用外設提供的5 V或3.3 V電源軌供電。所示的電路接受各側的5 V電源，內部調節(jié)器為活動狀態(tài)。

ADuM4160還提供一個選項，可以在外設控制下延遲應用上游上拉電阻。此功能由PIN輸入控制。在本應用中，PIN輸入通過跳線接高電平，因此，只要施加外設電源就會用到上游上拉電阻。在其它應用中，可以將它連接到一個控制器的GPIO引腳，可以采用一個固定延遲電路，或者可以像本電路一樣連接。如何使用此功能取決于設計人員。

本電路還包括保護器件。這些器件選自那些提供各種不同器件的制造商，所選的特定器件允許用0 Ω短路電阻予以代替，以便將其從電路中移除。設計人員應當仔細考慮保護器件的選擇，包括不需要外部保護到需要全套瞬變抑制器和濾波器元件的情況。本電路所包括的元件顯示了典型的高度保護配置。

當電路工作時，會進行包檢測，并將數據從隔離的一側傳送到另一側。下面所示的數據分別以時域數據和眼圖形式展示了典型的全速處理情況。在實時數據中，需要注意的特點是包開始時為無源空閑狀態(tài)，它會轉換為受驅J狀態(tài)，還有處理結束時的包末尾顯示為單端0狀態(tài)，其后是空閑J狀態(tài)。正是這種自動控制流和這些特殊邏輯狀態(tài)的處理，才使得ADuM4160芯片成為市場上罕有的。

下面的圖2和圖3所示數據是在USB-IF認證過程中產生的。圖1顯示一個測試數據包從ADuM4160上游端口傳輸到主機。需要注意的是前置空閑狀態(tài)，其中無源電阻網絡保持空閑J狀態(tài)。包的中心部分是J和K的混合狀態(tài)。包的右側是EOP（分組結束）標志，它是一個單端0，其后是一個受驅J狀態(tài)，再轉換為空閑J狀態(tài)。

圖2. ADuM4160上游端口驅動的全速測試數據包流

圖 3.顯示禁入區(qū)域的全速眼圖

以下是適用的測試參考：

上游全速信號質量測試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.1節(jié)。

上游全速上升時間測試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.2節(jié)。

上游全速下降時間測試參考文件—USB 2.0規(guī)范第7.1.11節(jié)、第7.1.2.2節(jié)。

圖3為全速眼圖，顯示ADuM4160能夠提供充分張開的眼圖，遠離禁入區(qū)域。針對低速評估也獲得了類似的數據。

典型應用電路的照片如圖4。ADuM4160評估板（照片左側）連接到帶I2C兼容接口的4通道、12/10/8位ADC AD7991的評估板。ADC評估板充當外設，通過USB端口連接到PC（以便測試和評估ADC）。這就在ADuM4160 USB端口與ADC評估板之間提供了整體隔離。

圖4. ADuM4160 USB評估板連接到AD7991評估板USB端口的照片

本電路的邊沿速度非常快，為使系統通過EMI/RFI測試，必須使用出色的布局、去耦和接地技術。

常規(guī)變化

根據系統要求，可以使用其它線性調節(jié)器代替。詳細信息請參考 ADIsimPower 設計工具。

電路評估與測試

本電路筆記所述的ADuM4160評估板隔離適配器用于評估和測試。測試設置使用的電路板詳細原理圖和照片參見圖1和圖4。

設備要求

需要以下設備：運行Windows XP或Vista的PC，USB數據端口連接，ADuM4160評估板隔離適配器，EVAL-7991EBZ評估板和AD7991評估軟件，兩條USB電纜，高速數字示波器。

開始使用

除了本電路筆記所述測試設置的電路和原理圖之外，關于ADuM4160評估板隔離適配器的詳細信息，包括原理圖、Gerber和物料清單，請訪問http://www.analog.com/CN0160-DesignSupport。

功能框圖

關于所述測試設置的原理圖和其他信息，請參見圖1。

審核編輯：劉清