Die Schaltung kann das USB-Peripheriegerät auch über einen Sperrwandler mit isolierter Spannung versorgen. In typischen Anwendungen kann der 5-V-Bus des USB-Servers als Stromversorgung genutzt werden, wodurch ein maximaler isolierter Laststrom von 440 mA an das Peripheriegerät geliefert werden kann.

Abbildung 1. Schaltplan

USB-Digitalisolierung

Die Schaltung nutzt den digitalen Trennverstärker ADuM3165 zur galvanischen Trennung der USB-Datenleitungen zwischen Server und Peripheriegerät. Der ADuM3165 unterstützt USB 2.0 Low Speed ​​(1,5 Mbit/s), Full Speed ​​(12 Mbit/s) und High Speed ​​(480 Mbit/s) bei einer nominalen Isolationsspannung von 3,75 kV_eff

Der ADuM3165 kann die geeignete Datenübertragungsrate automatisch aushandeln, ohne dass ein Benutzereingriff oder externe Schaltungen erforderlich sind. Abbildung 2 zeigt die Schaltung des ADuM3165. Abgesehen von den USB-Anschlusssignalen ist für den Betrieb des ADuM3165 lediglich eine 24-MHz-Referenztaktquelle für die interne Phasennachführungsschleife (PLL) erforderlich. Diese kann durch Anschließen eines Quarzes zwischen den Pins XI und XO oder durch Anschließen einer 24-MHz-Taktquelle des Serveradapters an Pin XI und Offenlassen von Pin XO realisiert werden.

Abbildung 2. Funktionsblockdiagramm des ADuM3165.

Der ADuM3165 wird an den Pins VBUS1 und VBUS2 mit +5 V versorgt. VBUS1 ist direkt mit dem USB-Serveranschluss verbunden, VBUS2 mit der isolierten 5-V-Stromversorgung. Interne Low-Dropout-Regler (LDOs) erzeugen die für die interne Schaltung benötigten +3,3 V Versorgungsspannungen VDD1 und VDD2.

Isoliertes USB-Netzteil

Ein LT8301 Mikroleistungs-Sperrwandler ohne optische Isolation liefert 5 V isolierte Busspannung auf der Peripherieseite. Abhängig von der Eingangsspannung kann dieses Bauteil bis zu 6 W isolierte Ausgangsleistung abgeben und unterstützt somit sowohl USB-2.0-Geräte mit niedrigem als auch mit hohem Stromverbrauch. Abbildung 3 zeigt die vereinfachte Konfiguration der isolierten Sperrwandlerschaltung

Abbildung 3. LT8301-Sperrwandlerschaltung

Der LT8301 verwendet einen Sperrwandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 3:1 und einer Primärinduktivität von 40 µH zur Erzeugung der isolierten Stromversorgung. Eine Zenerdiode in der Primärwicklung schützt das Bauteil vor Spannungsspitzen durch Streuinduktivität. Eine Diode auf der Sekundärseite dient der Gleichrichtung und ist für einen Durchlassstrom von 5 A und eine Sperrspannung von 30 V ausgelegt. Ein 150-µF-Kondensator reduziert die Restwelligkeit der Ausgangsspannung. Dank dieser Komponenten erfüllt das Design die maximale Laststromstärke von 100 mA, die von USB-2.0-Geräten mit geringem Stromverbrauch über die serverseitige 5-V-Busspannung benötigt wird.

Darüber hinaus ist diese Schaltung in der Lage, den maximalen Ladestrom von 500 mA zu unterstützen, der von USB 2.0-Geräten mit hoher Leistung aufgenommen wird, wenn sie an eine externe Stromversorgung von mindestens 8 V angeschlossen ist. Höhere Ladeströme können mit höheren Eingangsspannungen erzielt werden, bis zu 1,3 A bei einer maximalen Eingangsspannung von 32 V.

Die Ausgangsspannung des LT8301 wird durch einen externen Rückkopplungswiderstand eingestellt, der zwischen den Pins SW und RFB angeschlossen ist. Der Wert dieses Widerstands wird mithilfe von Gleichung 1 berechnet:

wobei:
RFB der erforderliche Rückkopplungswiderstand in Ω ist,
NPS das effektive Windungszahlverhältnis der Primär- zur Sekundärseite des Transformators ist,
VOUT die Ausgangsspannung ist und
VF die Durchlassspannung der Ausgangsdiode ist.

Bei einer erforderlichen Ausgangsspannung von 5 V, einem Übersetzungsverhältnis des Transformators von 3:1 und einer Vorwärtsspannung der Ausgangsdiode von 0,3 V ergibt Gleichung 1 einen RFB-Wert von 159 kΩ; der nächstliegende Standardwert von 158 kΩ wird berücksichtigt. In der Praxis kann das vom LT8301 verwendete Einzelabtastverfahren jedoch zu Fehlern in der Ausgangsspannung führen. Gleichung 2 kann verwendet werden, um den Rückkopplungswiderstand anhand der tatsächlichen Ausgangsspannung anzupassen

wobei:
RFB(FINAL) der eingestellte Rückkopplungswiderstand in Ω ist
und VOUT(MEAS) die tatsächliche Ausgangsspannung in V ist.

Bei einer Ziel-Ausgangsspannung (VOUT) von 5,0 V, einer gemessenen Ausgangsspannung (VOUT) von 5,26 V und einem anfänglichen Widerstand (RFB) von 158 kΩ ergibt sich aus Gleichung 2 ein Widerstandswert von ungefähr 150 kΩ

Siehe
„CN-0550 Circuit Note: Low/Full/High-Speed ​​USB 2.0 Isolator with Isolated Power“, Analog Devices, Inc., Juni 2023

 Übersetzung und Bearbeitung von Diego de Azcuénaga, Elektronikingenieur