Diseño

Funcionamiento de un circuito aislador para dispositivos USB 2.0 de múltiples velocidades con alimentación aislada

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Los dispositivos USB pueden requerir aislación eléctrica entre el servidor y los periféricos. Los requerimientos de aislación pueden variar dependiendo de la aplicación; el equipamiento médico, por ejemplo, requiere dispositivos capaces de soportar una sobretensión de 5 kV para garantizar la seguridad del paciente.

El diseño mostrado en la Figura 1 es un aislador USB 2.0 que puede soportar 1.5 kVAC por un minuto y puede proporcionar aislamiento básico para sistemas que trabajan con una tensión de 50 V rms
El aislador USB admite una velocidad máxima de transferencia de datos de 480 Mbps, y automáticamente negocia la velocidad de transferencia basado en las capacidades de los dispositivos conectados.

El circuito también puede suministrar alimentación aislada al periférico USB a través de un convertidor flyback. Para aplicaciones típicas, el bus de 5 V del servidor USB puede ser usado como entrada de alimentación, permitiendo entregar una corriente de carga aislada máxima de 440 mA al periférico.

 

Figura 1. Diagrama de bloques del circuito

Aislamiento digital del USB

El circuito emplea el aislador digital ADuM3165 para proporcionar aislamiento galvánico de las líneas de datos del USB entre el servidor y el periférico. El ADuM3165 admite USB 2.0 de baja velocidad (1.5 Mbps), completa velocidad (12 Mbps) y alta velocidad (480 Mbps) manteniendo una tensión nominal de aislamiento de 3.75 kV rms

El ADuM3165 es capaz de negociar automáticamente la velocidad de transferencia de datos adecuada sin la intervención del usuario ni la necesidad de circuitos externos. La Figura 2 muestra el circuito del ADuM3165. Excluyendo las señales de los conectores USB, el único circuito externo necesario para operar el ADuM3165 es una fuente de reloj de referencia de 24 MHz para el lazo de seguimiento de fase (PLL) interno. Esto se puede implementar conectando un cristal entre sus pines XI y XO o conectando una fuente de reloj de 24 MHz desde el adaptador del servidor al pin XI y dejando XO flotando.


Figura 2. Diagrama de bloques funcionales de ADuM3165

La alimentación al ADuM3165 se suministra a +5 V en los pines VBUS1 y VBUS2. VBUS1 está conectado directamente al conector del servidor USB y VBUS2 está conectado a la alimentación aislada de 5 V. Reguladores internos de baja caída (LDO) generan las alimentaciones VDD1 y VDD2 de +3.3 V necesarias para los circuitos internos.

Alimentación USB aislada

Un convertidor flyback aislado no óptico de micropotencia LT8301 proporciona alimentación de bus aislada de 5 V en el lado periférico. Dependiendo del voltaje de entrada, este dispositivo es capaz de entregar hasta 6 W de potencia de salida aislada, lo que le permite admitir dispositivos USB 2.0 de baja y alta potencia. La Figura 3 muestra la configuración simplificada del circuito flyback aislado


Figura 3. Circuito convertidor flyback LT8301

El LT8301 utiliza un transformador flyback con una relación de vueltas de 3:1 y una inductancia en el primario de 40 uH para producir la alimentación aislada. Se incluye un diodo Zener amortiguador en el devanado primario para proteger el dispositivo contra picos de alto voltaje generados por la inductancia de fuga. Un diodo proporciona rectificación en el lado secundario y está clasificado para una corriente directa de 5 A y un voltaje inverso de 30 V. Se utiliza un condensador de 150 uF para reducir la ondulación del voltaje de salida. Esta combinación de componentes permite que el diseño cumpla con la corriente de carga máxima estándar de 100 mA consumida por dispositivos USB 2.0 de baja potencia utilizando la alimentación del bus de 5 V disponible en el lado del servidor.

Además, este circuito es capaz de soportar la corriente de carga máxima de 500 mA consumida por dispositivos USB 2.0 de alta potencia cuando se conecta a una fuente de alimentación externa de al menos 8 V. Se pueden lograr corrientes de carga más altas con más voltaje de entrada, hasta 1.3 A con el voltaje de entrada máximo de 32 V.

El voltaje de salida del LT8301 se establece mediante una resistencia de realimentación externa conectada entre los pines SW y RFB cuyo valor se calcula utilizando la Ecuación 1:

 

donde:
RFB es la resistencia de realimentación requerida en Ω
NPS es la relación de espiras primaria a secundaria efectiva del transformador
VOUT es el voltaje de salida
VF es el voltaje directo del diodo de salida

Para el voltaje de salida requerido de 5 V, una relación de espiras del transformador de 3:1 y un voltaje directo del diodo de salida de 0.3 V, la Ecuación 1 da como resultado un valor de RFB de 159 kΩ; se considera el valor estándar del 1% más cercano que es 158 kΩ. Sin embargo, en la práctica, el esquema de muestreo único utilizado por el LT8301 puede introducir errores en el voltaje de salida. La Ecuación 2 se puede utilizar para ajustar la resistencia de realimentación en función del voltaje de salida real

 

donde:
RFB(FINAL) es la resistencia de realimentación ajustada en Ω
VOUT(MEAS) es el voltaje de salida real medido en V

Con un VOUT objetivo de 5.0 V, un VOUT medido de 5.26 V y una RFB inicial de 158 kΩ, la Ecuación 2 da como resultado un valor de resistencia de aprox. 150 kΩ

Referencias
"CN-0550 Circuit Note: Low/Full/High-Speed USB 2.0 Isolator with Isolated Power", Analog Devices, Inc., Junio 2023

 Traducción y adaptación por Diego de Azcuénaga, Ingeniero en Electrónica

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