电路功能及优势
自 1996 年推出以来，USB 已成为手持设备、测试和测量设备、嵌入式开发平台以及无数其他应用的标准点对点串行通信接口。 USB 已在很大程度上取代了 RS-232（串行）和并行端口。
USB 接口强调主机与其外围设备之间的简单而稳健的连接，大部分复杂性都被 USB 控制器和物理层抽象化了。 USB 设备具有自配置功能，受到常见操作系统的广泛支持，并且即插即用。 它们还提供电力传输，可热插拔，并使用标准化的低成本、高插入寿命的连接器和电缆。
然而，这些环境中的 USB 设备可能需要在主机和外围设备之间添加电气隔离。 隔离要求可能因应用而异； 例如，医疗设备需要能够承受 5 kV 浪涌电压的设备，以确保患者安全。 对于工业环境，隔离考虑因素可能包括对静电放电、雷击和电涌的敏感性，以及对电磁干扰和接地环路产生的电噪声的敏感性。
图 1 所示的参考设计是 USB 2.0 电流隔离器，可承受 1.5 kVAC 一分钟，并可为工作电压为 50 V rms 的系统提供基本绝缘。 USB隔离器支持最大480 Mbps的数据传输速率，并根据连接设备的功能自动协商传输速率。
该电路还可以通过反激式转换器为 USB 外设提供隔离电源。 对于典型应用，USB 主机的 5 V 总线可用作输入电源，允许向外设提供最大 440 mA 的隔离负载电流。
Figure 1. CN0550 Simplified Block Diagram
电路描述
USB数字隔离
CN0550 采用 ADuM3165 数字隔离器为主机和外围设备之间的 USB 数据线提供电流隔离。 ADuM3165 支持低速 (1.5 Mbps)、全速 (12 Mbps) 和高速 (480 Mbps) USB 2.0，同时保持 3.75 kV rms 的隔离电压额定值。ADuM3165 采用 Analog Devices 的 iCoupler® 技术在数字线路上实现隔离，并且能够自动协商适当的数据传输速度，无需用户干预或不需要外部电路。
Figure 2. ADuM3165 功能框图
图 2 显示了 ADuM3165 电路，由于该器件高度集成，因此大大简化了隔离设计。 除了来自 USB 连接器的信号外，操作该器件所需的唯一外部电路是用于内部锁相环 (PLL) 的 24 MHz 参考时钟源。 这可以通过在 XI 和 XO 引脚之间连接晶体来实现，或者通过将主机控制器的 24 MHz 时钟源连接到 XI 引脚并使 XO 悬空来实现。 在 CN0550 中，具有必要负载电容的 24 MHz 晶体连接在 XI 和 XO 引脚之间。ADuM3165 的电源由 VBUS1 和 VBUS2 引脚上的 +5 V 供电。 VBUS1 直接连接到 USB 主机连接器，VBUS2 则连接到隔离的 5 V 电源。 内部低压差 (LDO) 稳压器为内部电路生成所需的 +3.3 V VDD1 和 VDD2 电源。 LDO 的功耗会略微降低最大环境工作温度。 有关详细信息，请参阅 ADuM3165 数据表。为了验证高速 USB 电气要求的合规性，使用 CN0550 执行了两次信号质量测试。 图 3 和图 4 分别显示了远端和近端的睁开眼图。
Figure 3. High-Speed, Far-End Device Eye Diagram
Figure 4. High-Speed, Near-End Device Eye Diagram
隔离的USB电源
LT8301 微功耗无光电隔离式反激转换器在外设侧提供隔离式 5V 总线电源。 根据输入电压，该器件能够提供高达 6 W 的隔离输出功率，使其能够支持低功耗和高功耗 USB 2.0 设备。 图 5 显示了用于 CN0550 的简化隔离反激电路配置。
Figure 5. Simplified LT8301 Flyback Converter Circuit
在 CN0550 中，LT8301 使用匝数比为 3:1 且初级电感为 40 μH 的反激变压器来产生隔离电源。 初级绕组上包含一个二极管齐纳缓冲器，以保护器件免受漏感产生的高压尖峰的影响。 次级侧采用二极管进行整流，额定正向电流为 5A，反向电压为 30V。使用 150μF 电容来降低输出电压的纹波。 这种组件组合使设计能够满足低功耗 USB 2.0 设备使用主机端可用 5 V 总线电源消耗的标准 100 mA 最大负载电流。此外，该电路还能够支持 500 mA 最大负载电流 当连接到至少 8 V 的外部电源时，由高功率 USB 2.0 设备汲取。更高的负载电流可以通过更高的输入电压实现，在最大输入电压 32 V 时高达 1.3 A。对于一般设计程序 在选择这些组件时，请参阅 LT8301 数据表。请注意，虽然 ADuM3165 的绝缘电压额定值为 3.75 kV rms，LT8301 的最大输入电压为 42 V，但这些参数将受到本应用中变压器规格的限制 。 CN0550 中使用的反激变压器在 1.5 kV rms 绝缘条件下进行测试，但其设计仅符合 50 V rms 工作电压下初级电路的 IEC61558-2-16 基本绝缘要求。 该变压器适用于大多数实验室测试和测量应用中的隔离。LT8301 的输出电压由连接在 SW 和 RFB 引脚之间的外部反馈电阻器设置； 其值使用公式 1 计算：其中：
RFB 是所需的反馈电阻（以 Ω 为单位）。
NPS 是变压器有效初级与次级匝数比。
VOUT 是输出电压。
VF 是输出二极管正向电压。对于所需的 5 V 输出电压、3:1 变压器匝数比和 0.3 V 输出二极管正向电压，公式 1 得出的 RFB 值为 159 kΩ； 考虑与此最接近的标准 1% 值是 158 kΩ。 然而，实际上，LT8301 使用的独特采样方案可能会在输出电压中引入误差。 可以使用公式 2 根据实际输出电压调整反馈电阻。其中：
RFB(FINAL) 是调整后的反馈电阻（以 Ω 为单位）。
VOUT(MEAS) 是以 V 为单位测量的实际输出电压。如果目标 VOUT 为 5.0 V，测量的 VOUT 为 5.26 V，初始 RFB 为 158 kΩ，则公式 2 得出的电阻值为 150.19 kΩ。 CN0550 使用 150 kΩ ±1% 反馈电阻。 使用这些值得到的负载调节如图 6 所示。
Figure 6. Output Load Regulation Plot
公共变化
某些应用可能需要设备同步到单个定时源。 在这些情况下，直接将来自系统微处理器的精密 24 MHz 时钟信号施加到 ADuM3165 的外部时钟输入，而不是使用外部晶体。 如果系统微处理器和时钟信号位于外设侧而不是主机侧，则可以使用 ADuM3166 作为替代方案。 该器件与 ADuM3165 具有相同的规格和引脚排列，唯一的区别是 XI 和 XO 引脚的布局。ADuM3165 VBUS1、VBUS2 工作电压范围为 3.0 V 至 5.5 V，与 3.0 的 VDD1、2 工作范围重叠。 V 至 3.6 V。如果任一侧都有 3.0 V 至 3.6 V 电源，则 VDDx 引脚可以连接到其相应的 VBUSx 并直接供电。 这也降低了整体器件功耗并扩大了工作温度范围。 有关详细信息，请参阅 ADuM3165 数据表。CN0550 的隔离电压额定值受到反激转换器电路中使用的变压器的限制，在需要 ADuM3165 完整 3.75 kV rms 绝缘电压额定值的应用中，可以使用不同的隔离电源 如果应用需要更高的绝缘等级，ADuM4165 或 ADuM4166 可以用作替代 USB 数字隔离器。 与 ADuM3165 和 ADuM3166 类似，这两个器件具有相同的规格，并且除 XI 和 XO 引脚的布局外引脚兼容。 ADuM4165 和 ADuM4166 具有 8 kVPK 的增强型浪涌隔离额定电压和 5 kV rms 的高电介质绝缘额定电压，但与 ADuM3165 和 ADuM3166 相比，占地面积更大。替代电源解决方案，例如 ADuM6020 隔离直流/ 直流转换器的绝缘电压额定值为 5 kV rms，但只能提供最大 100 mA 的电流。CN0419 电路笔记是一款更小、功耗更低的 USB 数字隔离器参考设计，适用于不需要高速的应用 USB 2.0。
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