芯片级隔离与电源的设计与实现
eeskill 2022-11-23

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。

图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。

图2:LTM2884自动选择内部上游上拉电阻器以与下游速度匹配

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