用于严苛环境的隔离式 USB 2.0 和电源

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引言

如果用标准 USB (通用串行总线) 电缆将台式 PC 连接到工业设备或医疗设备,可能立刻就会得到一个昂贵的教训。PC 和所连接的设备很有可能连到了地电位不同的插座上。因此 PC 与设备连接后,USB 电缆可能在这两台设备之间提供了一个较低阻抗的接地通路,从而使 USB 电源通路上的所有组件都被烧毁。如果用 USB 电源供电的设备 (例如便携式扫描仪) 取代 PC,那么你的困境可能是,面对着一个无法提供充足功率的 USB 端口。也许更令人沮丧的是,你知道所有设备都是安全连接的,而且供电方式正确,但是电气噪声的环境却使通信出现了故障。

USB 标准是上世纪 90 年代中期制定的,制定时从未考虑用在有噪声的环境中。USB 本打算用来在相对安静的家庭或办公环境中,通过短距离将低功率外设连接至 PC。而今天,USB 由于速度和易用性等优点,已经变得广受欢迎了,设计师依靠 USB 连接电脑与众多定制外设,在这种情况下,显然在某些应用中需要隔离,尤其是在医疗和工业领域。市场上已有隔离式 USB 收发器,但是这些解决方案不包括隔离式电源和无源组件,因此形成了较大和比较复杂的设计。一种更加简练的解决方案是凌力尔特公司的 LTM2884 隔离式 USB 收发器和电源,该器件极大地简化了任何隔离式 USB 2.0 集线器或外设设计,为用于严苛环境做好了准备。

芯片级隔离与电源

电气隔离用在各种行业中,最常见的是提供安全保护,防止潜在破坏性很大的电压导致设备损坏。隔离还用来消除噪声和接地环路产生的共模电压差的影响,或者用作不同工作电压之间的电平移位器。一般情况下,要建立一个隔离式系统,除了隔离势垒组件本身,在隔离势垒两侧还需要若干无源和有源组件。隔离势垒组件是出了名的难用,显著增加了隔离式系统的设计时间和成本。考虑到这一点,凌力尔特公司开发了微型模块 (μModule®) 隔离器系列,该系列隔离器将隔离式系统的设计减少为仅需插入一个模块,无需任何复杂的隔离势垒组件。实际上,μModule 隔离器根本无需外部组件。如图 1 所示,LTM2884 USB μModule 隔离器提供 2500VRMS 电气隔离,在一个 15mm x 15mm x 5mm 表面贴装 BGA 封装中,集成了一个 USB 2.0 收发器、一个无光耦合器的反激式转换器、几个超低静态电流 LDO 和所有需要的无源组件。


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1:带隔离电源的 LTM2884 隔离式 USB 收发器

与该系列中的其他μModule 隔离器一样,LTM2884 采用电感耦合线圈或无磁芯变压器以穿越 2500VRMS 隔离势垒传递数据,而专用 IC 则负责为两个 USB 通道和两个数据方向执行数据传输和接收功能。隔离势垒任一侧的 USB 信号被编码为脉冲,并使用差分信号传输通过在 μModule 衬底中形成的无磁芯变压器横跨隔离边界进行转换。该系统备有数据刷新、差错校验、故障安全停机和可承受极高的共模,为双向信号隔离提供了一款坚固型解决方案。

LTM2884 中的隔离电源是采用更加传统的方法产生的。电源是从一个具原边电压检测调节功能的边界模式反激转换器获得的。这种整体电源拓扑提供了一款简单、灵活,容错和相对高效的设计 (效率约为 65%)。LTM2884 具有两个用于为内置 USB 收发器和 DC/DC 转换器供电的分离输入。USB 收发器从一个 4.4V 至 16.5V 总线或外部电源接收功率。DC/DC 转换器也从相同的电源接收功率;如果连接至 5V 总线,则隔离式外设能够利用高达 1W (200mA/5V) 的隔离电源;否则,当连接至一个高于 8.6V 的外部电源时则可为外设提供 2.5W (500mA/5V) 功率!

简化坚固的设计

LTM2884 与 USB 2.0 全速 (12Mbps) 和低速 (1.5Mbps) 运行模式兼容。参见图 2,LTM2884 检测下游端口所连接的 USB 设备的速度,然后设定它自己内部上游端口的上拉电阻器,以与该速度匹配。集成的下拉电阻器也支持下游总线配置。LTM2884 通过监视下游空闲状态并以恒定速率刷新跨隔离势垒的状态,保持 USB 总线的空闲状态。如果上游端口空闲时间超过 3ms,那么 LTM2884 就可以进入暂停模式,以使该器件本身的功耗降至 500µA 以下。这种自动速度选择功能无需设定跨接线或配置软件,从而实现了真正的即插即用式设计。

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2LTM2884 自动选择内部上游上拉电阻器以与下游速度匹配

尽管隔离可以保护设备免受地电位差损害,但是还需要其他保护机制来抵御有噪声环境中常见的噪声、瞬变和浪涌。电气隔离的主要好处之一是,隔离势垒能够挡住高电压,从而无需其他保护器件,例如笨重的瞬变电压抑制器 (MOV、TVS 等)。LTM2884 不仅能够轻松承受 2500VRMS (3500VPEAK) 长达 1 分钟,而且能够在连至本地电源的 USB 引脚上承受 ±15kV HBM (人体模型) ESD 以及能够通过连至电源的隔离势垒承受 ±15kV HBM。高 ESD 额定值归功于仔细设计的高性能隔离势垒,该额定值还支持 30kV/us (典型值为 50kV/µs) 的最低共模瞬变速率,并允许 LTM2884 独特地通过瞬变事件无差错工作,同时发送 USB 数据。

LTM2884 对于 RF 和磁场拥有强大的承受能力,而且对相邻组件也没有影响,不产生高 EMI (电磁干扰)。LTM2884 中采用的 µModule 隔离器技术已经过独立机构评估,在测试中成功达到了欧洲标准 EN 55024 对 RF 和磁场承受能力的要求,这按照 EN 61000-4-3 测试标准要求。此外,设计和布局方法还允许 LTM2884 最大限度地减小 EMI,使其达到远低于 CISPR 22 Class B 限制的水平,从而无需采用复杂的 EMI 屏蔽和抑制技术。

隔离式 USB 应用

当隔离 USB 端口时,没有太多电路配置工作。如 LTM2884 之类的隔离组件既可以放置在外设的输入端,与 USB 电缆 (中继器) 串联,也可以放置在集线器 / 主机的输出端。凭借上述特点,无论哪种最终应用或细分市场,LTM2884 几乎适合于任何 USB 设备。该µModule 的占板面积为 225mm2,所需电路板空间最小,同时几乎所有电气规格都经过测试,并保证工作在 -40°C 至 105°C 的工作温度范围。UL 1577 组件级认证正在进行中,而且 LTM2884 满足医疗安全标准 IEC 60601-1 的所有要求,极少数要求 A.C. 测试电压高于 2500kVRMS 的双 MOOP (操作者保护方法) 和双 MOPP (患者保护方法) 测试除外。除此以外,LTM2884 的引脚间隔 (爬电距离和电气间隙) 大于 9mm,通过绝缘针对数据提供 100µm 距离,针对电源提供 114µm 距离,这些与安全有关的参数将有助于 USB 系统满足各种不同设备级标准的要求。

LTM2884 适用范围如此广泛,因此在该器件公开发布之前,凌力尔特公司就已经发现怎样将该器件应用于多种设计中了。图 3 显示,LTM2884 是凌力尔特 LTP2884 USB 串联隔离器的核心,该串联隔离器是一款完整的独立器件,用作一个完整的参考设计,还可以作为一个独立器件购买,以便能够在工作环境中快速部署 USB 隔离。LTP2884 采用坚固的小型封装,提供 LTM2884 的所有好处,具备 ±20kV ESD 保护、LED 状态和报警指示器、以及耐用的 USB 连接器。当然,不需要驱动器和软件,即插即用!

 

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3:基于 LTM2884 LTP2884 USB 串联隔离器

LTM2884 也已用于凌力尔特的 DC2026 Linduino One 隔离式 Arduino 兼容演示电路板。Linduino 与流行的 Arduino Uno 开源电子产品原型生成平台兼容,所采用的 Arduino 硬件由一个 Atmel 微控制器和一个自导程序组成,允许在电路内部快速进行固件更新。该软件是一种基于 AVRGCC 编译器的简单 C 语言编程环境。凌力尔特运用 Linduino 为具备 I2C 或 SPI 等数字接口的 IC 演示和分配固件库。LTM2884 断开地至 PC 的连接,允许连接至 Linduino 的设备之地电位与控制 Linduino 的电脑之地电位不同。

结论

需要隔离的 USB 应用的数量仍然在增加,尤其是出于安全性和可靠性原因,在工业和医疗行业增加显著。LTM2884 很有吸引力,因为它与较老的分立式解决方案相比,具有明显优势,例如采用小型封装提供数据加电源隔离。2500VRMS 的电气隔离、自动速度选择、出色的共模抑制、高 ESD 和低 EMI 均有助于加速可靠的设计。此外,由于无需包括如电源去耦电容器等的外部组件,因此会受到如 LTP2884 或 DC2026 等很多空间受限 USB 应用的欢迎。像 LTM2884 这样的高集成度器件早就该有了……既然现在已经有了,就让 USB 在最严苛的环境中枝繁叶茂地应用吧!