Il circuito può anche fornire alimentazione isolata alla periferica USB tramite un convertitore flyback. Per le applicazioni tipiche, è possibile utilizzare il bus a 5 V del server USB come ingresso di alimentazione, consentendo di erogare alla periferica una corrente di carico isolata massima di 440 mA.
Figura 1. Diagramma a blocchi del circuito
isolamento digitale USB
Il circuito utilizza l'isolatore digitale ADuM3165 per fornire isolamento galvanico alle linee dati USB tra il server e la periferica. L'ADuM3165 supporta USB 2.0 a bassa velocità (1,5 Mbps), a piena velocità (12 Mbps) e ad alta velocità (480 Mbps) mantenendo una tensione di isolamento nominale di 3,75 kV rms
L'ADuM3165 è in grado di negoziare automaticamente la velocità di trasferimento dati appropriata senza intervento dell'utente o necessità di circuiti esterni. La Figura 2 mostra il circuito dell'ADuM3165. Escludendo i segnali del connettore USB, l'unico circuito esterno necessario per il funzionamento dell'ADuM3165 è una sorgente di clock di riferimento a 24 MHz per il circuito di inseguimento di fase (PLL) interno. Ciò può essere realizzato collegando un cristallo tra i pin XI e XO oppure collegando una sorgente di clock a 24 MHz proveniente dall'adattatore server al pin XI e lasciando il pin XO flottante.
Figura 2. Diagramma a blocchi funzionale dell'ADuM3165.
L'ADuM3165 è alimentato a +5 V sui pin VBUS1 e VBUS2. VBUS1 è collegato direttamente al connettore del server USB, mentre VBUS2 è collegato all'alimentazione isolata a 5 V. I regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) interni generano le tensioni di alimentazione di +3,3 V VDD1 e VDD2 necessarie per i circuiti interni.
Alimentazione USB isolata
Il convertitore flyback isolato non ottico a micropotenza LT8301 fornisce un'alimentazione bus isolata a 5 V sul lato periferico. A seconda della tensione di ingresso, questo dispositivo è in grado di erogare fino a 6 W di potenza di uscita isolata, consentendo di supportare dispositivi USB 2.0 sia a bassa che ad alta potenza. La Figura 3 mostra la configurazione semplificata del circuito flyback isolato
Figura 3. Circuito del convertitore flyback LT8301
L'LT8301 utilizza un trasformatore flyback con un rapporto di spire di 3:1 e un'induttanza primaria di 40 µH per produrre l'alimentazione isolata. Un diodo Zener di snubber è incluso nell'avvolgimento primario per proteggere il dispositivo dai picchi di alta tensione generati dall'induttanza di dispersione. Un diodo raddrizzatore sul lato secondario è dimensionato per una corrente diretta di 5 A e una tensione inversa di 30 V. Un condensatore da 150 µF viene utilizzato per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita. Questa combinazione di componenti consente al progetto di soddisfare la corrente di carico massima standard di 100 mA consumata dai dispositivi USB 2.0 a basso consumo che utilizzano l'alimentazione a 5 V disponibile sul lato server.
Inoltre, questo circuito è in grado di supportare la corrente di carica massima di 500 mA consumata dai dispositivi USB 2.0 ad alta potenza quando collegati a un alimentatore esterno di almeno 8 V. Correnti di carica più elevate possono essere raggiunte con tensioni di ingresso più elevate, fino a 1,3 A con una tensione di ingresso massima di 32 V.
La tensione di uscita dell'LT8301 è impostata da una resistenza di feedback esterna collegata tra i pin SW e RFB, il cui valore è calcolato utilizzando l'equazione 1:
dove:
RFB è la resistenza di feedback richiesta in Ω
NPS è il rapporto effettivo tra spire primarie e secondarie del trasformatore
VOUT è la tensione di uscita
VF è la tensione diretta del diodo di uscita
Per una tensione di uscita richiesta di 5 V, un rapporto di trasformazione di 3:1 e una tensione diretta del diodo di uscita di 0,3 V, l'equazione 1 fornisce un valore RFB di 159 kΩ; si considera il valore standard più vicino, pari a 158 kΩ, con una precisione dell'1%. Tuttavia, in pratica, lo schema a singolo campione utilizzato dall'LT8301 può introdurre errori nella tensione di uscita. L'equazione 2 può essere utilizzata per regolare la resistenza di feedback in base alla tensione di uscita effettiva
dove:
RFB(FINAL) è la resistenza di feedback regolata in Ω
VOUT(MEAS) è la tensione di uscita effettiva misurata in V
Con una VOUT target di 5,0 V, una VOUT misurata di 5,26 V e una RFB iniziale di 158 kΩ, l'equazione 2 risulta in un valore di resistenza di circa 150 kΩ
Riferimenti:
"CN-0550 Circuit Note: Isolatore USB 2.0 a bassa/alta/alta velocità con alimentazione isolata", Analog Devices, Inc., giugno 2023
Traduzione e adattamento a cura di Diego de Azcuénaga, ingegnere elettronico
