Usb hub микросхема: FE1.1, FE2.1 или что нам стоит USB HUB построить / Связь железа с компьютером. / Сообщество EasyElectronics.ru — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

FE1.1, FE2.1 или что нам стоит USB HUB построить / Связь железа с компьютером. / Сообщество EasyElectronics.ru

Связь железа с компьютером.

Лирическое отступление

Однажды возникла у меня на работе задача встроить USB HUB в уже имеющееся устройство. Первая мысль была — заказать некоторое кол-во готовых хабов у наших китайских друзей, и лишив их корпуса, впихнуть в корпус собственно конечного устройства. Но этот вариант был отметён по причине абсолютного отсутствия места, да и как то всё таки кривое решение. Тогда было решено встроить USB HUB в уже имеющеюся печатную плату. Благо места на плате для этих действий было достаточно.
Порыскав на предмет того, на основе какой микрухи можно построить USB 2.0 High Speed USB HUB, наткнулся на очень вкусные по цене микрухи FE1.1 и FE2. 1, отлчие у которых только в количестве портов хаба — 4 и 7 соответственно.

Отмазки
В приведённых примерах не будет реализована защита от перегрузки по току USB порта, хотя микруха это тоже умеет. Мне это было не надо. Если вам будет интересно, то в даташите схемы даны. Всё будет рассмотрено на примере микросхемы FE1.1 (не путать с FE1.1S, хотя там тоже всё просто. FE1.1S является самой урезанной по всем параметрам в этой линейке), FE2.1 отличается только кол-вом портов.
Ну к сути.

Суть
Микросхема FE1.1 представляет из себя однокристальный USB HUB, которому для работы надо минимум деталей. А именно кварц на 12МГц, пару конденсаторов и несколько резисторов.

Возможности

USB 2.0 High Speed, а именно до 480Мбит в обе стороны.
Возможность контроля потребления USB девайсов. В зависимости от микрухи, контролирует либо каждый девайс отдельно, либо группами.
Встроенные стабилизаторы 1,8в и 3,3в.

Одна из приятностей данной микросхемы — цена. У наших китайских друзей на АлиЭкспрессе цена на неё начинается от 20р за шт.

Распиновка
FE1.1 выпускается в корпусах LQFP48 и QFN48, отличие в распиновке не наблюдаются.

Строим HUB

И так, заказав данные микросхемы я по быстрому набросал схему хаба, вот такую:

Как видно, микруха сама в себе, вот только между собой много ног надо соединить.
Очень важно обратить внимание на такие вещи:

Подтяжка ножки XRSTJ. В даташите нет требования подтянуть эту ногу, но по факту без подтяжки хаб легко сбрасывается дуновением электромагнитных ветров.
Подтяжка ножек OVCB (на некоторых микрухах этой серии называются OVCJ). Это ноги, ответственные за сигнализацию потребления девайсом слишком большого тока. Если их оставить в воздухе, то периодически HUB будет писать, что питание девайса плохое, и вам придётся хаб «передёргивать». Ноги эти можно подтянуть как по отдельности резюками 10к-100к, так и все одним резюком 10к-100к. Я лично делал и так и так, разницы в работе не заметил.
Номинал резистора подтяжки ножки REXT. Он должен быть именно 2,7k, и никак иначе. С другими номиналами хаб работать отказывается.

Опыт использования

На самом деле, хаб выполненный по данной схеме работает без каких либо нареканий. На некоторых форумах я встречал описания проблем при применении хабов на данных микрухах, такие как периодический сброс хаба, и сигналы о перегрузке, но как описано выше, причину их мне вроде бы удалось найти. Девайс с хабом построенным по схеме приведённой выше работает уже больше года без нареканий.

Ещё отмазки
На самом деле как мне кажется, мало кому из электронщиков часто надо самостоятельно изготовить USB HUB. Но если задача возникла такая, вот решение дешёвое и сердитое:)
Даташит на FE1.1, FE2.1 и схематика для FE1.1 в прикрепленном архиве.

Сайт производителя

USB HUB,
деталька

Файлы в топике: FE1.1,FE2.1DocAnd_FE1.1SCH.zip

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.

Как выбрать или изготовить USB-хаб

Сегодня для подключения периферийных устройств к компьютеру чаще всего используют интерфейс USB. Но рано или поздно пользователь обнаруживает, что все имеющиеся в его компьютере USB-порты заняты мышью, клавиатурой, WEB-камерой и другими устройствами, а вновь приобретённый принтер, TV-тюнер, USB-осциллограф или что-либо ещё подключить некуда. Как же соединить с компьютером 127 устройств, обещанных спецификацией USB?

Чтобы к одному USB-порту компьютера можно было подключить более одного устройства, применяют хабы (англ. hub — ступица колеса, в которую вставлены все его спицы), называемые также концентраторами. Хаб имеет «восходящий» (upstream) USB-порт, соединяемый с компьютером, и несколько «нисходящих» (downstream) USB-портов, к которым присоединяют периферийные устройства. Спецификация USB допускает последовательное соединение до пяти хабов.

В магазинах, торгующих компьютерной периферией, ассортимент USB-хабов довольно велик — на любой вкус, цвет и кошелёк. Казалось бы, выбирай любой, наиболее симпатичного дизайна с нужным числом портов и за минимальную цену. Ведь неискушённый пользователь часто представляет себе хаб чем-то вроде устройства для подключения двух телевизоров к одной антенне — внутри пара резисторов либо миниатюрный трансформатор.

Однако в данном случае всё гораздо сложнее. В этом я убедился, когда приобрёл два USB-хаба, один — для цифрового интерфейса к трансиверу, второй — для подключения внешнего жёсткого диска к стационарному ПК. Первый хаб на четыре порта с логотипом «DNS» был приобретён в обычном магазине, второй — неизвестного производителя на семь портов — был заказан в зарубежном интернет-магазине.

Эксперименты в лабораторных условиях показали, что оба хаба без проблем работают с мышью, клавиатурой, адаптером USB-COM и звуковой картой, оснащённой интерфейсом USB. Однако с внешним жёстким диском и FLASH-накопителем работает только хаб DNS. При подключении таких устройств через безымянный хаб компьютер выдаёт сообщение «USB-устройство не определено».

Дополнительные эксперименты с цифровым интерфейсом трансивера показали, что хаб DNS и здесь работает без проблем, а вот использование безымянного хаба приводит к «зависанию» компьютера при каждом включении передатчика. При непосредственном без хаба подключении адаптера USB-COM и внешней звуковой карты к компьютеру всё работало без проблем.

Такая ситуация меня заинтересовала. Я решил выяснить, чем же различаются эти два хаба. Почему один полностью выполняет свои функции, а второй, в принципе, работает, но не всегда и не со всеми устройствами?

Каково же было моё удивление, когда после вскрытия корпусов выяснилось, что оба хаба собраны на одной и той же элементной базе и по абсолютно одинаковым схемам! Только в семипортовом установлены две одинаковые микросхемы-контроллера USB-хаба последовательно: к одному из четырёх нисходящих портов первого контроллера подключён восходящий порт второго аналогичного контроллера. Отключение второго контроллера путём перерезания печатных проводников ситуацию не изменило. Чтобы понять причину, пришлось знакомиться с основами устройства и работы шины USB.

Первая спецификация USB 1.0 была опубликована в начале 1996 г., а осенью 1998 г. появилась спецификация 1.1, устранившая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Спецификация USB 1.1 определяет два режима передачи информации: низкоскоростной (LS — low-speed), работающий со скоростью до 1,5 Мбит/с и полноскоростной (FS — Full-speed) с предельной скоростью 12 Мбит/с.

Весной 2000 г. была опубликована спецификация USB 2.0, предусматривающая 40-кратное повышение пропускной способности шины. В дополнение к двум ранее имевшимся скоростным режимам введён третий — высокоскоростной HS (High-speed), способный работать со скоростью до 480 Мбит/с.

В 2008 г. появился новый стандарт — USB 3.0 (Super Speed), coгласно которому скорость передачи доведена до 5 Гбит/с. Однако, чтобы достичь такой скорости, пришлось серьёзно изменить конструкцию разъёмов и кабелей, при этом полной совместимости с предыдущими версиями достичь не удалось. Этот интерфейс целесообразно использовать для связи с высокоскоростными жёсткими дисками, если требуется частая пересылка файлов большого объёма. Но за ним, несомненно, будущее.

С логотипом «USB 2.0» связан один тонкий момент. Хотя предельная пропускная способность этого интерфейса 480 Мбит/с, в спецификации заложена и возможность его работы в режимах LS и FS. Таким образом, пропускную способность 480 Мбит/с могут обеспечить только устройства, способные работать в режиме HS.

Разработчики USB рекомендуют использовать логотип «USB 2.0» только для HS-устройств, но на рынке свои законы и многие производители используют этот логотип и для FS-устройств, удовлетворяющих, по сути, лишь спецификации USB 1.1. Другими словами, надпись на упаковке «USB 2.0» ещё ни о чём не говорит. Устройства, полностью удовлетворяющие этой спецификации, должны иметь маркировку «USB 2.0 HI-SPEED» и явное указание на возможность работы со скоростью 480 Мбит/с.

Сигнал, передаваемый по линии связи со скоростью 480 Мбит/с, представляет собой прямоугольные импульсы, следующие с частотой до 480 МГц. Любому мало-мальски сведущему в радиотехнике человеку понятно, что для неискажённой передачи прямоугольных импульсов такой частоты необходимо при разработке печатной платы жёстко соблюдать требования к волновому сопротивлению линий передачи между микросхемами и разъёмами и его постоянству по всей длине линии.

Волновое сопротивление двухпроводной дифференциальной сигнальной линии на плате должно быть 90 Ом ± 10%. Линия должна быть симметричной, а расстояние между ней и другими печатными проводниками на плате — не менее пятикратного расстояния между проводниками линии. Под ними с обратной стороны платы на всём протяжении должен быть сплошной слой фольги — экран (общий провод). Участки линии, на которых эти требования не выполняются (например, подходы к выводам микросхем или к контактам разъёмов), должны быть минимальной длины.

Типичные ошибки при трассировке таких линий связи показаны на рис. 1, где 1 — разрыв экрана под линией; 2 — отвод от проводника линии; 3 — непа-раллельность проводников и изменение зазора между ними; 4 — посторонний проводник рядом с линией.

Рис.1.

Ну и, конечно, нужно соблюдать обычные требования к монтажу высокочастотных цепей. Все проводники должны быть минимальной длины, а блокировочные конденсаторы располагаться как можно ближе к соответствующим выводам микросхем.

При взгляде на фотографии печатных плат покупных хабов видно, что в хабе DNS (рис. 2) эти требования более-менее соблюдены. Разработчики же безымянного хаба (рис. 3) применили в нём одностороннюю печатную плату, поэтому волновое сопротивление линий связи сильно отличается от стандартных 90 Ом и наблюдается высокая чувствительность к электромагнитным помехам.

Рис. 2.

Рис. 3.

В обоих хабах использованы одинаковые микросхемы-контроллеры USB-хаба FE1.1s. Сайт их производителя http:// www.jfd-ic.com/ доступен, к сожалению, только на китайском языке. Возможная схема включения этой микросхемы показана на рис. 4. Она отличается от типовой отсутствием светодиодных индикаторов активных портов и дополнительной микросхемы энергонезависимой памяти. Подробнее с характеристиками и особенностями микросхемы FE1.1s можно ознакомиться в [1] (на английском языке).

Рис. 4.

Чтобы проверить предположение, что плохая работа хаба вызвана игнорированием требований спецификации USB к топологии печатной платы, я разработал свой вариант платы. Чертёж печатных проводников на её условно верхней стороне изображён на рис. 5. Фольга на нижней стороне сохранена полностью, за исключением зенковки отверстий для выводов деталей, не соединяющихся с общим проводом. Расположение деталей на обеих сторонах платы — на рис. 6. В переходные отверстия (они показаны залитыми) вставлены отрезки лужёного провода, пропаянные с обеих сторон платы.

Рис. 5.

Рис. 6.

Геометрические размеры сигнальных линий для получения требуемого волнового сопротивления рассчитаны с помощью программы TX-LINE [2]. Она бесплатна и доступна для скачивания после регистрации на сайте. Программа не требует инсталляции, работа с ней интуитивно понятна.

Запустив программу и перейдя на вкладку связанных микрополосковых линий (coupled MS line), следует выбрать материал проводников линии — медь (copper), ввести диэлектрическую проницаемость (dielectric constant) стеклотекстолита, равную 5,5, и размеры линии. При толщине стеклотекстолита 1 мм, ширине печатных проводников 0,7 мм, расстоянии между ними 0,5 мм и толщине фольги 0,02 мм получаем на частоте 500 МГц волновое сопротивление около 93 Ом.

Все предназначенные для поверхностного монтажа пассивные элементы — типоразмера 1206 или 0805. Оксидные конденсаторы C1, C3, С5, кварцевый резонатор ZQ1 и разъём внешнего питания XS5 смонтированы со стороны сплошной фольги, остальные элементы — со стороны печатных проводников.

Если хаб будет использоваться только как пассивный (все подключённые к нему устройства будут получать питание от компьютера), то диод VD1 можно заменить перемычкой. При подключении к хабу устройств, потребляющих более 500 мА, питания от компьютера будет недостаточно. В этом случае перемычку следует удалить и, не устанавливая диод VD1, подключить к разъёму XS5 источник стабилизированного напряжения 5 В необходимой мощности.

Для эксплуатации хаба как в пассивном, так и в активном режиме без перепаек диод с барьером Шотки VD1 в нём должен быть установлен. Он исключит попадание напряжения внешнего блока питания в USB-порт компьютера.

В принципе, для уменьшения толщины платы все детали можно разместить со стороны печатных проводников, но без металлизации отверстий это усложняет монтаж. Если необходимо, можно изменить размеры платы и расположение разъёмов uSb, немного скорректировав рисунок печатных проводников.

Микросхему FE1.1 s я выпаял из своего семипортового хаба, но в Интернете её можно приобрести и отдельно. Это один из немногих контроллеров USB-хаба, выпускаемых в корпусе SSOP-28 с шагом выводов 0,64 мм. Плата под такой корпус вполне может быть изготовлена методом термопереноса рисунка на фольгу.

Испытывая изготовленный хаб, я обнаружил, что влияние электромагнитного излучения полностью исчезло, два из четырёх его портов великолепно работают с FLASH-накопителем и с жёстким диском с интерфейсом USB, но два других — только с мышью.

Пришлось выпаять из семипортового хаба второй контроллер и заменить им первый на самодельной плате. Теперь полноценно заработали три порта из четырёх. Причём перестал работать в режиме HS тот порт, который с первым контроллером функционировал без проблем.

В документации на микросхему FE1.1 s сказано, что все её экземпляры после изготовления проходят выходной контроль. Очевидно, бракованные экземпляры отправляются не в мусор, а к безымянным производителям. Либо контроллер имеет какие-то недокументированные варианты исполнения. Так или иначе, вариант с тремя полноценными портами USB 2.0 меня устроил.

Обращаю внимание, что практически все дешёвые хабы с разъёмом для подключения внешнего блока питания не имеют никакой развязки между цепями внешнего и внутреннего питания. Контакты питания всех разъёмов просто соединены между собой. В результате есть шанс вывести из строя USB-порт компьютера, подав на него напряжение внешнего блока питания, подключённого к хабу.

Если к приобретённому хабу предполагается подключение внешнего блока питания, нужно вскрыть корпус хаба и перерезать проводник, идущий от контакта 1 разъёма восходящего порта (того, который соединяют с компьютером). Для сохранения возможности использования хаба в пассивном режиме в это место можно впаять диод аналогично VD1 на схеме рис. 4. Он должен быть с барьером Шотки (для уменьшения падения напряжения) и с допустимым прямым током не менее 1 А.

Согласно спецификации USB 2.0, соединительный кабель должен быть обязательно экранированным. При покупке кабеля бывает, однако, сложно определить, есть в нём экран или нет. Единственное, что может свидетельствовать о наличии экрана — маркировка «USB 2.0 High Speed» на кабеле. Косвенным признаком служат помехоподавляющие ферритовые «защёлки» на его концах.

Однако ни маркировка, ни защёлки ничего не говорят о качестве экрана. В хорошем кабеле он должен быть из фольги, обёрнутой вокруг жгута проводов, поверх которой надет плетёный медный «чулок». Нередко производители удешевляют производство, используя вместо полноценного экрана несколько омеднённых стальных жил.

Качество экрана можно оценить, измерив сопротивление между металлическими корпусами разъёмов на обоих концах кабеля. Если оно близко к нулю, в кабеле полноценный медный экран. Если сопротивление 3…4 Ом и более — экран есть, но он из стальных проволок. Такой кабель обычно тоньше, но его использование в условиях электромагнитных помех может приводить к сбоям компьютера. Например, когда рядом с кабелем лежит сотовый телефон или поблизости работает любительский трансивер.

Если сопротивление между корпусами разъёмов бесконечно, значит, кабель не экранирован и для работы в режиме High Speed непригоден. В любом случае корпус разъёма не должен соединяться ни с одним из его контактов. Никакие самостоятельные пайки, сращивание проводов, экранирование или замена разъёмов в кабеле недопустимы.

Самый надёжный критерий выбора — прозрачная внешняя оболочка кабеля, через которую отчётливо просматривается качественная экранирующая оплётка. А если при этом на обоих концах имеются ферритовые защёлки, то такой кабель смело можно отнести к категории PRO.

Подытоживая сказанное, сформулирую основные критерии выбора хаба USB 2. 0 для высокоскоростного обмена информацией:

— приобретать хаб лучше в розничном магазине, заранее оговаривая возможность его возврата или обмена на другую модель;

— на упаковку и корпус хаба должны быть нанесены логотип «USB 2.0 High Speed» и явное указание на возможность работы со скоростью 480 Мбит/с;

— сразу после покупки (а по возможности до неё) следует проверить работу всех портов хаба с высокоскоростным устройством, например с FLASH-накопителем USB 2.0;

— если для подключения устройств к хабу или хаба к компьютеру планируется использование соединительных кабелей, предпочтение лучше отдать тем хабам, у которых все разъёмы смонтированы на плате, поскольку торчащие «хвостики» с разъёмами почти наверняка не имеют экранов. В результате один конец экрана кабеля окажется никуда не подключённым, что может привести к сбоям при работе в режиме High Speed;

— если предполагается использовать хаб с внешним блоком питания, будьте готовы к тому, что потребуется доработка хаба, описанная выше;

— никакой защиты от перегрузки в дешёвых хабах нет, чтобы там ни было написано на упаковке. Предполагается, что она имеется в USB-портах компьютера. Полноценный хаб с защитой от перегрузки — это уже совсем другая ценовая категория;

— приобретайте высококачественный экранированный кабель с надписью «High Speed» на нём, по возможности с прозрачной внешней оболочкой.

Если ни одна из продаваемых моделей хабов не устраивает, сделайте его сами, как описано выше.

ЛИТЕРАТУРА

1. FE1.1s USB 2.0 High Speed 4-Port Hub Controller. — URL: http://www.jfd-ic.com/ Documents/FEI. 1 s%2oData%20Sheet%20 (Rev.%201.0).pdf (13.08.14).

2. TX-LINE: Transmission Line Calculator. — URL: http://www.awrcorp.com/products/ optional-products/tx-line-transmission-line-calculator (13.08.14).

Файл печатной платы в формате Sprint Layout 6.0 имеется здесь

Автор: Н. Хлюпин, г. Киров

EZ-USB™ HX3 — Infineon Technologies

Обзор

Контроллер-концентратор USB 5 Гбит/с

EZ-USB™ HX3 — это 4-портовый контроллер-концентратор Infineon с сертификатом USB-IF.

Доказано, что EZ-USB™ HX3 работает со всеми известными хост-контроллерами, классами устройств и операционными системами, что подтверждается неоднократными испытаниями на каждом фестивале USB-разъемов и в сторонних лабораториях. EZ-USB™ HX3 поддерживает большинство стандартов зарядки через USB, включая спецификацию зарядки аккумулятора версии 1.2, стандарт зарядки Apple, YD/T 1591-2006 и ACA-Dock.

Функция док-станции ACA EZ-USB™ HX3 позволяет заряжать смартфон или планшет с поддержкой USB OTG, одновременно работая с USB-устройствами, подключенными к нисходящим портам. EZ-USB™ HX3 поддерживает зарядку аккумулятора на нисходящих портах без подключения хоста к восходящему порту.

EZ-USB™ HX3 с возможностью настройки USB 5 Гбит/с и USB 2.0 PHY улучшает качество сигнала. Эта функция дает разработчикам плат больше гибкости, упрощая совместимость с USB-IF. EZ-USB™ HX3 также поддерживает общий канал USB, запатентованную функцию, которая удваивает количество портов USB, создавая восемь портов из 4-портового контроллера-концентратора.

Сертифицированный концентратор USB-IF, TID# 330000060, 30000074
Поддерживает до четырех портов DS, совместимых с USB 3.0
- Все порты поддерживают SS (5 Гбит/с), обратно совместимы с HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с) и LS (1,5 Мбит/с)
- SS и USB 2.0 Link Power Management (LPM)
- Специализированные высокоскоростные переводчики транзакций (Multi-TT)
- Светодиодные индикаторы состояния — режим ожидания, SS и USB 2.0
Общий канал USB для встроенных приложений
- Каждый порт DS может одновременно подключаться к встроенному устройству SS и съемному устройству USB 2.0
- Позволяет подключить до восьми устройств
Улучшенная зарядка аккумулятора
- Каждый порт DS соответствует спецификации USB Battery Charging v1.2 (BC v1.2)
- Каждый порт DS может эмулировать выделенный зарядный порт (DCP), когда хост не подключен к порту США
- Адаптер зарядного устройства для аксессуаров (ACA-Dock): обеспечивает зарядку и одновременную передачу данных для смартфона или планшета, выступающего в качестве хоста, совместимого с BC v1. 2
- Зарядка Apple поддерживается на всех портах DS
Встроенный процессор ARM® Cortex™-M0
- 16 КБ ОЗУ, 32 КБ ПЗУ
- Настройте GPIO для защиты от перегрузки по току, включения питания и светодиодов
Обновление микропрограммы с использованием (а) I2C EEPROM или (б) внешнего главного устройства I2C
Vendor-Command для реализации моста USB-to-I2C
- Обновление прошивки внешнего ASSP, подключенного к HX3 через USB
- Внутрисистемное программирование (ISP) EEPROM, подключенного к HX3 через USB
Расширенная поддержка конфигурации
- Конфигурация с булавкой для следующих функций:
- Пользовательские режимы конфигурации, поддерживаемые с помощью eFuse, I2C EEPROM или ведомого устройства I2C
Функции программного обеспечения
- Microsoft WHQL-сертифицирован для Windows XP/Vista/7/8/8. 1
- Совместимость с Mac OS 10.9 и ядром Linux версии 3.11
- Настройка параметров конфигурации с помощью простого в использовании

Функция общей связи позволяет устройствам USB2.0 и USB3.0 совместно использовать один порт, что позволяет использовать до 8 нисходящих устройств

Функции адаптера для зарядки и зарядного устройства Ghost позволяют HX3 быть частью полнофункциональной док-станции
Высококачественные и надежные решения с продуктами Infineon EZ-PD™

Возможности применения

Автономные концентраторы
Концентраторы материнской платы
Концентраторы мониторов
Расширенные репликаторы портов
Док-станции
Варианты сплит-ПК
Внешние персональные накопители
Концентраторы клавиатуры

Начало работы

Смотреть видео об общей ссылке EZ-USB™ HX3 и функциях ACA-Dock
Загрузить Техническое описание EZ-USB™ HX3 и рекомендации по проектированию оборудования, примечание по применению
Купите набор EZ-USB™ CY4609, EZ-USB™ CY4603 или EZ-USB™ CY4613 в зависимости от вашего приложения

Загрузите и установите утилиту настройки Blaster Plus

Получите проверку своих схем с помощью Онлайн-системы технической поддержки

Блок-схема

Продукты

Документы

Поддержка дизайна

Видео

Партнеры

Обучение

Приложения

Поддержка

Контакты

CN0158 Примечание по цепи | Аналоговые устройства

Ресурсы для дизайна
Особенности и преимущества

Ресурсы для проектирования

Файлы для проектирования и интеграции

Схема
Список материалов
Гербер-файлы
Сборочный чертеж

Загрузить файлы проекта 207 КБ

Оборудование для оценки

Номера деталей с буквой «Z» указывают на соответствие RoHS. Для оценки этой схемы необходимы проверенные платы.

EVAL-CN0158-EB1Z (82,39 долл. США) Цепь изолятора USB-концентратора универсальной последовательной шины

Проверка запасов и покупка

Особенности и преимущества

Изолирует и объединяет два устройства в один порт USB
Стандартный интерфейс USB

Замечания по применению

AN-0971: Рекомендации по контролю излучения с помощью устройств isoPower (Rev. C)
14.02.2015

Примечание по схеме Технические статьи

Преимущества изоляции микротрансформатора Цифровое управление
01.10.2008

Универсальная последовательная шина (USB) быстро становится стандартным интерфейсом для большинства периферийных устройств ПК. Он вытесняет RS-232 и параллельный порт принтера из-за превосходной скорости, гибкости и поддержки горячей замены устройств. Со стороны производителей промышленного и медицинского оборудования также возникло сильное желание использовать шину, но внедрение было медленным, поскольку не было хорошего способа обеспечить изоляцию, необходимую для соединений с машинами, которые управляют опасными напряжениями или низкими напряжениями. Соединения с защитой от утечки дефибриллятора в медицинских приложениях.

ADuM4160 разработан в первую очередь как изолирующий элемент для периферийного USB-устройства. Однако бывают случаи, когда полезно изолировать хост-устройство. Чтобы использовать ADuM4160 для этого приложения, необходимо решить несколько проблем. В то время как буферы на восходящей и нисходящей сторонах ADuM4160 одинаковы и способны управлять кабелем USB, нисходящие буферы должны иметь возможность регулировать скорость для полноскоростного или низкоскоростного периферийного устройства, которое к нему подключено.

В отличие от случая создания выделенного периферийного интерфейса, когда скорость известна и не изменяется, хост-приложения должны адаптироваться. ADuM4160 предназначен для жесткого подключения к одной скорости через контакты; поэтому он работает, когда периферийное устройство, подключенное к выходной стороне, имеет правильную скорость, но не работает, когда подключено периферийное устройство с неправильной скоростью. Лучший способ решить эту проблему — объединить ADuM4160 с контроллером-концентратором.

Входную сторону контроллера-концентратора можно рассматривать как стандартный периферийный порт с фиксированной скоростью, который можно легко изолировать с помощью ADuM4160, в то время как скорость выходных портов обрабатывается контроллером-концентратором. Контроллер-концентратор преобразует периферийные устройства с разной скоростью в соответствии со скоростью восходящего порта. Схема, показанная на рис. 1, показывает, как двухпортовый чип-концентратор можно использовать для изоляции двух нисходящих хост-портов в конструкции, которая может быть полностью совместима со спецификацией USB.

Рис. 1. Цепь изолятора USB-кабеля

ADuM4160 представляет собой недорогой и простой в реализации изолирующий буфер для медицинских и промышленных периферийных устройств. Задача, которую необходимо решить, состоит в том, чтобы использовать это для создания полностью совместимого хост-порта путем сопряжения ADuM4160 с чипом-хабом. Как и при изоляции любого периферийного устройства, ADuM4160 и концентратор предоставляют следующие услуги:

Непосредственно изолирует в восходящем направлении линии USB D+ и D- микросхемы концентратора, позволяя концентратору управлять нисходящим хост-портом. Мероприятия.
Реализует автоматическую схему управления потоком данных, не требующую внешних линий управления.
Обеспечивает изоляцию медицинского класса.
Позволяет создать один или несколько хост-портов, соответствующих стандартам сертификации USB-IF.
Поддерживает полную скорость передачи сигналов.
Поддерживает гибкие конфигурации питания.

Цель схемы приложения — изолировать концентратор, как если бы он был полноскоростным периферийным устройством. Для работы концентратора или хоста требуется, чтобы на каждый нисходящий порт было доступно 2,5 Вт мощности. Электропитание для питания выходной стороны изолятора и питания концентратора и портов предоставляется как часть решения. Схема применения типична для многих медицинских и промышленных применений.

Питание восходящего разъема USB обеспечивается напряжением 5 В VBUS, доступным на кабеле USB. Микросхема концентратора должна обеспечивать все сигналы и подтягивающие или понижающие резисторы, которые потребовались бы, если бы ADuM4160 не присутствовал. В качестве микросхемы концентратора выбран двухпортовый контроллер USB-концентратора SMSC USB2512. Эта часть была выбрана из-за ее низкой стоимости и небольшого размера. Кроме того, доступна 4-канальная версия в том же корпусе. Конструкция является полнофункциональной, поддерживает ограничение тока канала за каналом с помощью переключателя распределения питания MIC2026 и достаточную регулируемую мощность в автономном режиме для обеспечения 2,5 Вт на каждый нисходящий канал. Питание на нисходящей стороне обеспечивается настенной бородавкой и ADP3339.Регулятор LDO (опция 5 В). Этот компонент обеспечивает очень низкое падение напряжения, снижая требования к регулированию «настенной бородавки».

Небольшой размер и допустимый ток 1,5 А идеально подходят для этой схемы общего назначения, где периферийным устройствам, расположенным ниже по потоку, может потребоваться полная мощность кабеля для работы.

ADuM4160 имеет несколько параметров мощности и защиты, которые необходимо определить. Периферийные устройства работают на одной из трех скоростей: низкой (1,5 Мбит/с), полной (12 Мбит/с) и высокой (480 Мбит/с). ADuM4160 не поддерживает высокоскоростную работу и блокирует сигналы квитирования, которые используются для согласования этой скорости. Выбранный чип концентратора поддерживает высокоскоростную работу, но этот режим не допускается нормальной работой ADuM4160. ADuM4160 должен быть настроен на работу на полной скорости через состояние выводов SPU и SPD. На текущей схеме выводы SPU и SPD привязаны к регулируемым источникам питания 3,3 В, VDD1 и VDD2, настраивая часть на работу на полной скорости.

Питание может подаваться в виде 5 В через контакты VBUSx. Сигнальное напряжение 3,3 В создается внутренним стабилизатором 3,3 В на выводе VDDx. Другой вариант — подать 3,3 В напрямую на VBUSx и VDDx. Деталь определяет эту конфигурацию и отключает внутренний регулятор, напрямую используя питание 3,3 В. В иллюстративных целях выходная сторона ADuM4160 сконфигурирована для приема внешнего источника питания 3,3 В в обход внутреннего регулятора. Выводы VBUS2 и VDD2 закорочены, и на них подается внешнее напряжение 3,3 В, генерируемое стабилизатором LDO ADP3330.

ADuM4160 имеет опцию задержки применения восходящего подтягивания под управлением периферийного устройства. Эта функция управляется вводом PIN-кода. В этом приложении вход PIN закорочен на высокий уровень, поэтому подтягивание восходящего потока применяется, как только на микросхему концентратора подается питание. В некоторых приложениях он может быть подключен к выводу GPIO контроллера, может быть применена схема с фиксированной задержкой или он может быть подключен как в этой схеме. Дизайнер выбирает, как использовать эту функциональность.

В этой схеме представлены устройства защиты от EOS/ESD. Они были выбраны у производителей, у которых есть широкий выбор доступных компонентов; конкретные компоненты были выбраны так, чтобы их можно было заменить короткими замыканиями 0 Ом, удаляя их из схемы. Выбор защиты должен быть рассмотрен разработчиком и может варьироваться от отсутствия необходимости внешней защиты до необходимости полного комплекта подавителей переходных процессов и фильтрующих элементов. Элементы схемы, включенные в это приложение, являются типичными для того, что можно использовать.

Когда канал работает, пакеты обнаруживаются и данные передаются с одной стороны изолирующего барьера на другую. Данные, показанные на рисунках 2 и 3, демонстрируют типичную транзакцию на полной скорости как в виде данных во временной области, так и в виде глазковой диаграммы. Особенности, которые следует отметить в данных в реальном времени, — это пассивное состояние ожидания в начале пакета, которое переходит в управляемое J, а затем конец пакета в конце транзакции отображается как несимметричное нулевое состояние, за которым следует простоя J. Именно автоматический поток управления и обработка этих специальных логических состояний делают микросхему ADuM4160 возможной и уникальной на рынке.

Рис. 2. Полноскоростной тестовый пакетный трафик, управляемый восходящим портом ADuM4160. Нисходящие порты питаются от автономного источника питания для поддержки приложений с полной мощностью. Низко-, полно- и высокоскоростные периферийные устройства могут быть подключены к нисходящим портам в любой комбинации; Контроллер-концентратор правильно согласовывает скорость на основе стандарта USB. В конструкции также предусмотрены коммутация и ограничение тока, а также места для других выходных устройств защиты, которые могут быть установлены по выбору проектировщика.

Применимы следующие справочные материалы для испытаний:

Справочное значение для проверки качества восходящего сигнала на полной скорости — Спецификация USB 2. 0, раздел 7.1.11., раздел 7.1.2.1.
Эталонное значение теста времени нарастания на полной скорости в восходящем направлении — Спецификация USB 2.0, раздел 7.1.11., раздел 7.1.2.2.
Справочные данные по тесту времени спада на полной скорости в восходящем направлении — Спецификация USB 2.0, раздел 7.1.11., раздел 7.1.2.2.

На рис. 3 показана глазковая диаграмма на полной скорости, показывающая, что ADuM4160 обеспечивает адекватное открытое зрение, оставаясь далеко за пределами зоны недопущения. Существует исключение для одного перехода, нарушающего запретную зону. Этот тип артефакта приемлем для квалификации в этом тесте. Аналогичные данные берутся и для оценки низкой скорости. Фотография платы представлена на рисунке 4. Полный пакет поддержки проектирования для этой схемы можно найти по адресу http://www.analog.com/CN0158-DesignSupport.

Рис. 3. Глазковая диаграмма полной скорости, показывающая зону отчуждения

Рис. 4.

Оценочная плата изолированного USB-концентратора ADuM4160

Другие линейные регуляторы могут быть заменены в зависимости от системных требований. Дополнительные сведения см. в средстве проектирования ADIsimPower™.

Оценочная плата изолированного USB-концентратора ADuM4160 специально разработана для оценки и тестирования схемы, описанной в этом примечании к схеме. Подробная схема и изображение печатной платы показаны на рис. 1 и рис. 4.

Необходимое оборудование

Необходимо следующее оборудование: подключение концентратора USB-порта с восходящим и нисходящим путем передачи данных, изолированный концентратор USB ADuM4160, оценочная плата ADuM4160, три кабеля USB и высокоскоростной цифровой осциллограф.

Приступая к работе

В дополнение к схеме, принципиальной схеме и блок-схеме испытательной установки, описанной в этом примечании к схеме, сведения об изолированной оценочной плате USB-концентратора ADuM4160, Gerber’s, ведомость материалов, компоновка и информация о сборке содержатся в пакете поддержки проектирования CN-0158.