日本語版

フル/ロー・スピード
5 kV USBデジタル・アイソレータ
ADuM4160
USB 2.0 に互換
ロー・スピードとフル・スピードのデータレートをサポート: 1.5
Mbps と 12 Mbps
双方向通信
4.5 V～5.5 V の VBUS での動作
7 mA の最大アップストリーム電源電流、1.5 Mbps
8 mA の最大アップストリーム電源電流、12 Mbps
2.3 mA の最大アップストリーム・アイドル電流
アップストリーム短絡保護機能
ANSI/ESD STM5.1-2007 準拠のクラス 3A コンタクト ESD 性能
高温動作: 105°C
高い同相モード・トランジェント耐性: 25 kV/µs 以上
16 ピン SOIC ワイド・ボディ・パッケージ・バージョン
16 ピン SOIC ワイド・ボディ・クリーペッジ強化型バージョン
RoHs 準拠製品
安全性規定の認定(RI-16 パッケージ)
UL 認定: 5,000 V rms 1 分間の UL 1577 規格
「CSA Component Acceptance Notice #5A」に準拠
IEC 60601-1: 250 V rms (強化)
IEC 60950-1: 400 V rms (強化)
VDE の適合性認定済み
DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12
VIORM = 846 V peak
アプリケーション
USB ペリフェラルのアイソレーション
絶縁型 USB ハブ
医用アプリケーション
概要
ADuM41601 は、アナログ・デバイセズの iCoupler®技術を採用した
USB ポート・アイソレータです。これらのアイソレーション部品
は高速 CMOS とモノリシック中空コア・トランス技術の組み合わ
せにより、優れた性能特性を提供し、ロー・スピードとフル・ス
ピードの USB 互換ペリフェラル・デバイスに容易に組込むことが
できます。
1
VBUS1 1
16
VBUS2
GND1 2
15
GND2
VDD1 3
14
VDD2
PDEN 4
13
SPD
SPU 5
12
PIN
UD– 6
11
DD–
UD+ 7
10
DD+
GND1 8
9
GND2
REG
REG
PU LOGIC
PD LOGIC
08171-001
機能ブロック図
特長
図 1.
多くのマイクロコントローラは USB を内蔵し、D+ラインと D−ラ
インのみを外部ピンに取り出しています。これは、外付け部品数
を少なくし、デザインを簡素化するため多くの場合に望ましいこ
とですが、アイソレーションが必要な場合には特に困難が生じま
す。USB ラインでは、D+/D−をアクティブに駆動する動作と(デー
タ受信)、外部抵抗にバス状態を設定させる動作との間で動作を自
動的に切り替える必要があります。このため、ADuM4160 はデー
タ・フローの方向を検出し、出力バッファの状態を制御するメカ
ニズムを提供します。データ方向はパケットごとに決定されます。
ADuM4160 では、iCoupler 技術を採用したエッジ検出と内部ロジ
ックとの組み合わせにより、トランスペアレントで設定が容易な
アップストリーム用ポート・アイソレータを構成しています。ア
ップストリーム・ポートをアイソレーションすると、簡素性、パ
ワー・マネジメント、強固な動作について幾つかの利点が得られ
ます。
アイソレータでは、標準のハブやケーブルと同等の伝搬遅延が生
じます。4.5 V～5.5 V の範囲のいずれかの側のバス電圧で動作す
るため、電圧をシグナリング・レベルに内部で安定化することに
より、VBUS に直接接続することができます。ADuM4160 がプルア
ップ抵抗の絶縁型制御を提供するため、ペリフェラルは接続タイ
ミングを制御することができます。デバイスのアイドル電流は十
分小さいため、停止モードは不要です。2.5 kV バージョンの
ADuM3160 も提供しています。
米国特許 5,952,849; 6,873,065; 7,075,329 により保護されています。その他
の特許は申請中です。
Rev. C
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電話 06（6350）6868
ADuM4160
目次
特長......................................................................................................1
ESD の注意......................................................................................7
アプリケーション ..............................................................................1
ピン配置およびピン機能説明...........................................................8
概要......................................................................................................1
アプリケーション情報 ....................................................................10
機能ブロック図 ..................................................................................1
機能説明 ........................................................................................10
改訂履歴..............................................................................................2
製品の使い方 ................................................................................10
仕様......................................................................................................3
アップストリーム・アプリケーションの互換性 .....................10
電気的特性 ......................................................................................3
電源オプション ............................................................................11
パッケージ特性 ..............................................................................4
プリント回路ボード(PCB)のレイアウト...................................11
適用規格..........................................................................................4
DC 精度と磁界耐性 ......................................................................11
絶縁および安全性関連の仕様 ......................................................5
絶縁寿命 ........................................................................................12
DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)絶縁特性 ......................5
外形寸法 ............................................................................................14
推奨動作条件 ..................................................................................6
オーダー・ガイド ........................................................................14
絶対最大定格 ......................................................................................7
改訂履歴
10/10—Rev. B to Rev. C
Changes to Features and General Description Section .........................1
Changes to Endnote 3 in Table 1 and Table 3 .......................................4
Changes to Table 4 ...............................................................................5
Changes to Table 7 and Table 8 ............................................................7
Updated Outline Dimensions..............................................................14
Changes to Ordering Guide ................................................................14
8/10—Rev. A to Rev. B
Change to Data Sheet Title ...................................................................1
Changes to Features Section.................................................................1
Changes to Applications Section ..........................................................1
Changes to General Description Section ..............................................1
Changes to Table 3 ...............................................................................4
9/09—Rev. 0 to Rev. A
Added USB Logo, Reformatted Page 1 ................................................1
7/09—Revision 0: Initial Version
Rev. C
－ 2/14 －
ADuM4160
仕様
電気的特性
4.5 V ≤ VBUS1 ≤ 5.5 V、4.5 V ≤ VBUS2 ≤ 5.5 V; 3.1 V ≤ VDD1 ≤ 3.6 V、3.1 V ≤ VDD2 ≤ 3.6 V; 特に指定がない限り、すべての最小/最大仕様は全推
奨動作範囲に適用されます; すべての typ 仕様は TA = 25°C、VDD1 = VDD2 = 3.3 V で規定します。各電圧はそれぞれのグラウンドを基準とし
ます。
表 1.
Parameter
Symbol
Min
Typ
Max
Unit
Test Conditions
DC SPECIFICATIONS
Total Supply Current 1
1.5 Mbps
VDD1 or VBUS1 Supply Current
IDD1 (L)
5
7
mA
750 kHz logic signal rate CL = 450 pF
VDD2 or VBUS2 Supply Current
IDD2 (L)
5
7
mA
750 kHz logic signal rate CL = 450 pF
VDD1 or VBUS1 Supply Current
IDD1 (F)
6
8
mA
6 MHz logic signal rate CL = 50 pF
VDD2 or VBUS2 Supply Current
IDD2 (F)
6
8
mA
6 MHz logic signal rate CL = 50 pF
12 Mbps
Idle Current
VDD1 or VBUS1 Idle Current
IDD1 (I)
1.7
2.3
mA
+0.1
+1
µA
0.8
V
Input Currents
IDD−, IDD+,
IUD+, IUD−,
ISPD, IPIN,
ISPU, IPDEN
−1
Single-Ended Logic High Input Threshold
VIH
2.0
Single-Ended Logic Low Input Threshold
VIL
Single-Ended Input Hysteresis
VHST
Differential Input Sensitivity
VDI
0.2
V
|VXD+ − VXD−|
Logic High Output Voltages
VOH
2.8
3.6
V
RL = 15 kΩ, VL = 0 V
Logic Low Output Voltages
VOL
0
0.3
V
RL = 1.5 kΩ, VL = 3.6 V
VDD1 and VDD2 Supply Undervoltage Lockout
VUVLO
2.4
3.1
V
VBUS1 Supply Undervoltage Lockout
VUVLOB1
3.5
4.35
V
VBUS2 Supply Undervoltage Lockout
VUVLOB2
3.5
Transceiver Capacitance
CIN
Full Speed Driver Impedance
ZOUTH
V
0.4
Capacitance Matching
V
4.4
V
10
pF
10
%
4
Impedance Matching
0 V ≤ VDD-, VDD+, VUD+,VUD−, VSPD, VPIN,
VSPU, VPDEN ≤ 3.0
20
10
UD+, UD−, DD+, DD− to ground
Ω
%
SWITCHING SPECIFICATIONS, I/O PINS LOW SPEED
Low Speed Data Rate
1.5
Propagation Delay 2
tPHLL, tPLHL
Side 1 Output Rise/Fall Time (10% to 90%) Low Speed
tRL/tFL
75
Mbps
CL = 50 pF
325
ns
CL = 50 pF, SPD = SPU = low VDD1, VDD2
= 3.3 V
300
ns
CL = 450 pF SPD = SPU = low VDD1,
VDD2 = 3.3 V
Low Speed Differential Jitter, Next Transition
|tLJN|
45
ns
CL = 50 pF
Low Speed Differential Jitter, Paired Transition
|tLJP|
15
ns
CL = 50 pF
SWITCHING SPECIFICATIONS, I/O PINS FULL SPEED
Full Speed Data Rate
12
Propagation Delay2
tPHLF, tPLHF
20
Output Rise/Fall Time (10% to 90%) Full Speed
tRF/tFF
4
Full Speed Differential Jitter, Next Transition
|tFJN|
Full Speed Differential Jitter, Paired Transition
|tFJP|
Rev. C
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Mbps
CL = 50 pF
70
ns
CL = 50 pF SPD = SPU = high, VDD1,
VDD2 = 3.3 V
20
ns
CL = 50 pF SPD = SPU = high, VDD1,
VDD2 = 3.3 V
3
ns
CL = 50 pF
1
ns
CL = 50 pF
60
ADuM4160
Parameter
Symbol
Min
Typ
At Logic High Output 3
|CMH|
25
At Logic Low Output3
|CML|
25
Max
Unit
Test Conditions
35
kV/µs
VUD+, VUD−, VDD+, VDD− = VDD1 or VDD2,
VCM = 1000 V, transient magnitude = 800
V
35
kV/µs
VUD+, VUD−, VDD+, VDD− = 0 V, VCM =
1000 V, transient magnitude = 800 V
For All Operating Modes
Common-Mode Transient Immunity
1
J 状態と K 状態を交互に切り替え、50% デューティ・サイクル、固定連続データ・レートで動作するデバイスの電源電流値。 電源電流値は、USB 準拠の出力負荷を
接続して規定。
2
いずれかの信号方向のロー・スピードの DD+ から UD+へまたは DD−から UD−への伝搬遅延は、立上がりまたは立下がりエッジの 50%レベルから対応する出力信号
の立上がりまたは立下がりエッジの 50%レベルまでで測定。
3
CMH は、V O > 0.8 VDDx を維持している間に維持できる同相モード電圧の最大スルーレートです。 CML は VO < 0.8 V を維持している間に維持できる同相モード電圧の
最大スルーレートです。同相モード電圧スルーレートは、同相モード電圧の立上がりと立下がりの両エッジに適用されます。 過渡電圧振幅は、同相モードの平衡が
失われる範囲を表します。
パッケージ特性
表 2.
Parameter
Symbol
Resistance (Input to Output) 1
Capacitance (Input to Output)1
Input Capacitance 2
IC Junction-to-Ambient Thermal Resistance
RI-O
CI-O
CI
θJA
1
2
Min
Typ
Max
1012
2.2
4.0
45
Unit
Ω
pF
pF
°C/W
Test Conditions
f = 1 MHz
Thermocouple located at center
of package underside
デバイスは 2 端子デバイスと見なします。 すなわち、ピン 1～ピン 8 を相互に接続し、ピン 9～ピン 16 を相互に接続します。
入力容量は任意の入力データ・ピンとグラウンド間。
適用規格
ADuM4160 は、表 3に記載する組織の認定を取得しています。特定のクロスアイソレーション波形と絶縁レベルに対する推奨最大動作電
圧については、表 8と絶縁寿命のセクションを参照してください。
表 3.
UL
CSA
VDE
Recognized under 1577 component
recognition program 1
Approved under CSA Component
Acceptance Notice #5A
Certified according to DIN V VDE V 088410 (VDE V 0884-10):2006-12 2
Single Protection
5000 V rms Isolation Voltage
Basic insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1, 600 V
rms (848 V peak) maximum working voltage
Reinforced insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1,
380 V rms (537 V peak) maximum working voltage, RW-16
package.
Reinforced insulation per CSA 60950-1-03 and IEC 60950-1,
400 V rms (565 V peak) maximum working voltage, RI-16
package.
Reinforced insulation per IEC 60601-1 125 V rms (176 V peak)
maximum working voltage, RW-16 package.
Reinforced insulation per IEC 60601-1 250 V rms (353 V peak)
maximum working voltage, RI-16 package.
Reinforced insulation, 846 V peak
File E214100
File 205078
File 2471900-4880-0001
1
2
UL1577 に従い、絶縁テスト電圧 6,000 V rms 以上を 1 秒間加えて各 ADuM4160 を確認テストします(リーク電流検出規定値 = 10µA)。
DIN V VDE V 0884-10 に従い、各 ADuM4160 に 1,050 Vpeak 以上の絶縁テスト電圧を 1 秒間加えることによりテストして保証されています(部分放電の検出規定値＝5
pC)。 (*)マーク付のブランドは、DIN V VDE V 0884-10 認定製品を表します。
Rev. C
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ADuM4160
絶縁および安全性関連の仕様
表 4.
Parameter
Symbol
Value
Unit
Conditions
Rated Dielectric Insulation Voltage
Minimum External Air Gap (Clearance)
L(I01)
5000
8.0 min
V rms
mm
Minimum External Tracking (Creepage) RW-16 Package
L(I02)
7.7 min
mm
Minimum External Tracking (Creepage) RI-16 Package
L(I02)
8.5 min
mm
Minimum Internal Gap (Internal Clearance)
Tracking Resistance (Comparative Tracking Index)
Isolation Group
CTI
0.017 min
>175
IIIa
mm
V
1 minute duration
Measured from input terminals to output terminals, shortest
distance through air
Measured from input terminals to output terminals, shortest
distance path along body
Measured from input terminals to output terminals, shortest
distance path along body
Insulation distance through insulation
DIN IEC 112/VDE 0303 Part 1
Material Group (DIN VDE 0110, 1/89, Table 1)
DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10)絶縁特性
これらのアイソレータは、安全性制限値データ以内でのみ強化された電気的アイソレーションを満たします。安全性データの維持は、保
護回路を使って確実にする必要があります。パッケージに(*)マークが付いたブランドは、DIN V VDE V 0884-10 認定製品を表します。
表 5.
Description
Conditions
Installation Classification per DIN VDE 0110
For Rated Mains Voltage ≤ 150 V rms
For Rated Mains Voltage ≤ 300 V rms
For Rated Mains Voltage ≤ 400 V rms
Climatic Classification
Pollution Degree per DIN VDE 0110, Table 1
Maximum Working Insulation Voltage
Input-to-Output Test Voltage, Method b1
VIORM × 1.875 = VPR, 100% production test, tm = 1 sec, partial
discharge < 5 pC
VIORM × 1.6 = VPR, tm = 60 sec, partial discharge < 5 pC
Input-to-Output Test Voltage, Method a
After Environmental Tests Subgroup 1
After Input and/or Safety Test Subgroup 2 and
Subgroup 3
Highest Allowable Overvoltage
Safety-Limiting Values
Symbol
Characteristic
Unit
VIORM
VPR
I to IV
I to III
I to II
40/105/21
2
846
1590
V peak
V peak
1375
1018
V peak
V peak
VTR
6000
V peak
TS
IS1
RS
150
550
>109
°C
mA
Ω
VPR
VIORM × 1.2 = VPR, tm = 60 sec, partial discharge < 5 pC
Transient overvoltage, tTR = 10 seconds
Maximum value allowed in the event of a failure
(see Figure 2)
Case Temperature
Side 1+ Side 2 Current
Insulation Resistance at TS
VIO = 500 V
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
AMBIENT TEMPERATURE (°C)
200
08171-002
SAFE OPERATING VDD1 CURRENT (mA)
600
図 2.熱ディレーティング・カーブ、DIN V VDE V 0884-10 による安全な規定値のケース温度に対する依存性
Rev. C
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ADuM4160
推奨動作条件
表 6.
Parameter
Symbol
Min
Max
Unit
Operating Temperature
Supply Voltages 1
Input Signal Rise and Fall Times
TA
VBUS1, VBUS2
−40
3.1
+105
5.5
1.0
°C
V
ms
1
すべての電圧はそれぞれのグラウンドを基準とします。 外部磁界耐性については、DC 精度と磁界耐性のセクションを参照してください。
Rev. C
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ADuM4160
絶対最大定格
特に指定のない限り、周囲温度は 25°C です。
上記の絶対最大定格を超えるストレスを加えるとデバイスに恒久
的な損傷を与えることがあります。この規定はストレス定格の規
定のみを目的とするものであり、この仕様の動作のセクションに
記載する規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありませ
ん。デバイスを長時間絶対最大定格状態に置くとデバイスの信頼
性に影響を与えます。
表 7.
Parameter
Rating
Storage Temperature (TST)
Ambient Operating Temperature (TA)
Supply Voltages (VBUS1, VBUS2, VDD1,
VDD2) 1
Upsream Input Voltage
(VUD+,VUD−, VSPU)1, 2
Downstream Input Voltage
(VDD+, VDD−, VSPD, VPIN)1, 2
Average Output Current per Pin 3
Side 1 (IO1)
Side 2 (IO2)
Common-Mode Transients 4
−65°C to +150°C
−40°C to +105°C
−0.5 V to +6.5 V
表 8.最大連続動作電圧 1
Parameter
−0.5 V to VDD1 + 0.5 V
AC Voltage, Bipolar
Waveform
AC Voltage, Unipolar
Waveform
Basic Insulation
−0.5 V to VDD2 + 0.5 V
−10 mA to +10 mA
−10 mA to +10 mA
−100 kV/µs to +100 kV/µs
Reinforced Insulation
Max
565
Unit
V peak
Constraint
50-year minimum lifetime
848
V peak
846
V peak
Maximum
working voltage
60950-1
Maximum
working voltage
0884-10
848
V peak
846
V peak
1
すべての電圧はそれぞれのグラウンドを基準とします。
VDDI、VBUS1 と VDD2、VBUS2 はカプラーのそれぞれアップストリーム側とダウン
ストリーム側の電源電圧を表します。
3
.種々の温度に対する最大定格電流値については、図 2 を参照してください。
4
絶縁障壁にまたがる同相モード過渡電圧を表します。 絶対最大定格を超える
同相モード過渡電圧を加えると、ラッチアップまたは恒久的損傷が生ずること
があります。
2
DC Voltage
Basic Insulation
Reinforced Insulation
approved
per IEC
approved
per VDE
Maximum approved
working voltage per
IEC60950-1
Maximum
approved
working voltage per VDE
0884-10
1
アイソレーション障壁に加わる連続電圧の大きさを意味します。詳細につい
ては、絶縁寿命のセクションを参照してください。
ESDの注意
ESD（静電放電）の影響を受けやすいデバイスで
す。電荷を帯びたデバイスや回路ボードは、検知さ
れないまま放電することがあります。本製品は当社
独自の特許技術である ESD 保護回路を内蔵してはい
ますが、デバイスが高エネルギーの静電放電を被っ
た場合、損傷を生じる可能性があります。したがっ
て、性能劣化や機能低下を防止するため、ESD に対
する適切な予防措置を講じることをお勧めします。
Rev. C
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ADuM4160
ピン配置およびピン機能説明
VBUS1 1
16 VBUS2
GND1* 2
VDD1 3
PDEN 4
15 GND2*
ADuM4160
14 VDD2
SPU 5
13 SPD
TOP VIEW
(Not to Scale) 12 PIN
UD– 6
11 DD–
UD+ 7
10 DD+
GND1* 8
9
GND2*
*PIN 2 AND PIN 8 ARE INTERNALLY CONNECTED, AND CONNECTING
BOTH TO GND1 IS RECOMMENDED. PIN 9 AND PIN 15 ARE INTERNALLY
CONNECTED, AND CONNECTING BOTH TO GND2 IS RECOMMENDED.
08171-003
NC = NO CONNECT
図 3.ピン配置
表 9.ピン機能の説明
ピン番号 記号
方向
説明
1
VBUS1
電源
サイド 1 の入力電源。アイソレータが USB バスから 4.5 V～5.5 V の電源の供給を受ける場合は、VBUS1 と
USB 電源バスを接続してください。アイソレータが 3.3 V 電源から電源の供給を受ける場合は、VBUS1 と VDD1
を接続し、次に外部 3.3 V 電源へ接続してください。GND1 へのバイパスが必要です。
2
GND1
リターン
グラウンド 1。アイソレータ・サイド 1 のグラウンド基準。
3
VDD1
電源
サイド 1 の電源。アイソレータが USB バスから 4.5 V～5.5 V の電源の供給を受ける場合は、VDD1 ピンと
GND1 の間にバイパス・コンデンサを接続してください。PDEN や SPU のようなプルアップを必要とする信
号ラインは、このピンに接続する必要があります。アイソレータが 3.3 V 電源から電源の供給を受ける場合
は、VBUS1 と VDD1 を接続し、次に外部 3.3 V 電源へ接続してください。GND1 へのバイパスが必要です。
4
PDEN
入力
プルダウン・イネーブル。リセットを終了するときこのピンが読出されます。このピンは、標準動作時には
VDD1 へ接続する必要があります。リセットから抜け出すときに GND1 に接続されていると、ダウンストリー
ム・プルダウン抵抗が切り離されて、バッファ・インピーダンスの測定が可能になります。
5
SPU
入力
スピード・セレクト・アップストリーム・バッファ。アクティブ・ハイのロジック入力。SPU がハイ・レベ
ルのとき、フル・スピードのスルーレート、タイミング、ロジック規則が選択され、SPU がロー・レベルの
とき、ロー・スピードのスルーレート、タイミング、ロジック規則が選択されます。この入力は VDD1 へ接続
してハイ・レベルにするか、GND1 へ接続してロー・レベルにする必要があり、さらにピン 13 と一致する必
要があります。
6
UD−
I/O
アップストリーム D−。
7
UD+
I/O
アップストリーム D+。
8
GND1
リターン
グラウンド 1。アイソレータ・サイド 1 のグラウンド基準。
9
GND2
リターン
グラウンド 2。アイソレータ・サイド 2 のグラウンド基準。
10
DD+
I/O
ダウンストリーム D+。
11
DD−
I/O
ダウンストリーム D−。
12
PIN
入力
アップストリーム・プルアップ・イネーブル。PIN がアップストリーム・ポートのプルアップへの電源接続
を制御します。このピンは、パワーアップ時の動作に対しては VDD2 へ、または遅延エミュレーションを必要
とするアプリケーションに対しては外部制御信号へ、それぞれ接続することができます。
13
SPD
入力
スピード・セレクト・ダウンストリーム・バッファ。アクティブ・ハイのロジック入力。SPD がハイ・レベ
ルのとき、フル・スピードのスルーレート、タイミング、ロジック規則が選択され、SPD がロー・レベルの
とき、ロー・スピードのスルーレート、タイミング、ロジック規則が選択されます。この入力は VDD2 へ接続
してハイ・レベルにするか、GND2 へ接続してロー・レベルにする必要があり、さらにピン 5 と一致する必要
があります。
14
VDD2
電源
サイド 2 の電源。アイソレータが USB バスから 4.5 V～5.5 V の電源の供給を受ける場合は、VDD2 ピンと
GND2 の間にバイパス・コンデンサを接続してください。SPD のようなプルアップを必要とする信号ライン
は、このピンに接続することができます。アイソレータが 3.3 V 電源から電源の供給を受ける場合は、VBUS2
と VDD2 を接続し、次に外部 3.3 V 電源へ接続してください。GND2 へのバイパスが必要です。
15
GND2
リターン
グラウンド 2。アイソレータ・サイド 2 のグラウンド基準。
16
VBUS2
電源
サイド 2 の入力電源。アイソレータが USB バスから 4.5 V～5.5 V の電源の供給を受ける場合は、VBUS2 と
USB 電源バスを接続してください。アイソレータが 3.3 V 電源から電源の供給を受ける場合は、VBUS2 と VDD2
を接続し、次に外部 3.3 V 電源へ接続してください。GND2 へのバイパスが必要です。
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ADuM4160
表 10.真理値表、制御信号、電源(正ロジック)1
VSPU
Input
VBUS1, VDD1
State
VUD+, VUD− VSPD
State
Input
VBUS2, VDD2
State
VDD+, VDD− VPIN
State
Input
H
L
L
Powered
Powered
Powered
Active
Active
Active
H
L
H
Powered
Powered
Powered
Active
Active
Active
H
H
H
H
Powered
Active
L
Powered
Active
H
X
X
Powered
Unpowered
Z
X
X
X
Powered
Powered
Z
Z
L
X
X
Powered
Z
X
Unpowered
X
X
1
Notes
Input and output logic set for full speed logic convention and timing.
Input and output logic set for low speed logic convention and timing.
Not allowed: VSPU and VSPD must be set to the same value. USB host
detects communications error.
Not allowed: VSPU and VSPD must be set to the same value. USB host
detects communications error.
Upstream Side 1 presents a disconnected state to the USB cable.
When power is not present on VDD1, the downstream data output
drivers revert to high-Z within 32 bit times. The downstream side
initializes in high-Z state.
When power is not present on the VDD2, the upstream side disconnects
the pull-up and disables the upstream drivers within 32 bit times.
H はハイ・レベルの入力または出力を、L はロー・レベルの入力または出力を、X は don’t care を、Z はハイ・インピーダンス出力状態を、それぞれ表わします。
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ADuM4160
アプリケーション情報
機能説明
1.
D+/D−ラインでの USB アイソレーションは幾つかの理由で困難な
問題です。1 つ目は、トランシーバを制御するために、出力イネ
ーブル信号に対するアクセスが必要なことです。アイソレータに
ある程度の知能を組込んで、データ・ストリームを解釈して、ア
ップストリームとダウンストリームの出力バッファをイネーブル/
ディスエーブルするタイミングを決める必要があります。2 つ目
は、カプラーの出力側で信号を忠実に再生すると同時に、正確な
タイミングを維持し、無効な SE0 状態や SE1 状態のような過渡状
態を通過させない必要があります。さらに、デバイスは停止モー
ドの低消費電力条件を満たす必要があります。
このため、エッジ検出を採用する iCoupler 技術は USB アプリケー
ションに適しています。デバイスを通過するデータ・フローは、
入力動作をモニタし、アイドル(J) 状態からの変化に基づいてデー
タ転送の方向を設定することにより実現されます。データ方向が
決定された後データが転送され、エンド・オブ・パケット(EOP)ま
たは十分長いアイドル状態が検出されるまでデータ転送が続きま
す。この時点で、カプラーは出力バッファをディスエーブルして、
次の動作のため入力をモニタします。
2.
3.
4.
5.
6.
データ転送中、カプラーの入力側が出力バッファのディスエーブ
ルを維持します。出力側は出力バッファをイネーブルし、入力バ
ッファからのエッジ検出をディスエーブルします。これにより、
データが一方向に流れるようになり、カプラーから折り返されて
iCoupler によりラッチされることはありません。差動バッファと
シングルエンド・バッファの入力スレッショールドの相異により
発生する誤動作をなくするロジックが内蔵されています。入力状
態は、3 つの有効状態 J、K、SE0 の内の 1 つとしてアイソレーシ
ョン障壁を超えて転送されます。信号は、固定時間遅延後に入力
側差動入力から出力側で再生されます。
iCoupler には特別な停止モードがなく、必要になることもありま
せん。これは、USB バスのアイドル時に電源電流が停止電流規定
値 2.5 mA より小さくなるためです。
ADuM4160 は、D+/D−ラインをアイソレーションすることにより、
アップストリーム用ロー/フル・スピードUSBポートとインターフ
ェースするようにデザインされています。アップストリーム用ポ
ートは、1 つの速度動作のみをサポートするため、速度関連パラ
メータ、J/Kロジック・レベル、D+/D−スルーレートは、アップス
トリーム用ペリフェラル・ポートの速度と一致するように設定さ
れます(表 10参照)。
ADuM4160 のダウンストリーム側のコントロール・ラインが、ア
ップストリーム側のプルアップ抵抗をアクティブ化します。これ
により、ダウンストリーム・ポートはアップストリーム・ポート
を USB バスに接続するタイミングを制御できるようになります。
このピンは、初期バス接続を行うタイミングに応じて、ペリフェ
ラル・プルアップ、制御ライン、または VDD2 ピンに接続するこ
とができます。
製品の使い方
ADuM4160 は、図 4に示すようにアップストリーム用USBポート
を持つUSBペリフェラルへ組込むようにデザインされています。
主要な設計ポイントは次のようになります。
USB ホストから ADuM4160 のアップストリーム側電源をケ
ーブルを通して供給します。
ペリフェラル電源から ADuM4160 のダウンストリーム側電源
を供給します。
アイソレータの DD+/DD−ラインはペリフェラル・コントロ
ーラとインターフェースし、アイソレータの UD+/UD−ライ
ンはケーブルまたはホストに接続されます。
ペリフェラル・デバイスは、デザイン時に設定された固定デ
ータレートを持ちます。ADuM4160 は設定ピン SPU と SPD
を持っており、これらのピンを使って、各サイドのバッファ
速度とロジック規約を指定します。これらのピンは、ペリフ
ェラル速度に一致するように独自に設定する必要があります。
USB ケーブルのペリフェラル側(ADuM4160 のアップストリ
ーム側)で UD+ラインまたは UD−ラインがハイ・レベルにな
ると、USB エミュレーションが開始されます。このイベント
のタイミング制御は、カプラーのダウンストリーム側のピン
入力から行われます。
プルアップ抵抗とプルダウン抵抗は、カプラー内部に内蔵さ
れています。。動作には外付けの直列抵抗とバイパス・コン
デンサだけが必要です。
PERIPHERAL
VDD2
VBUS1
DD+
DD–
GND1
DD+
ADuM4160
DD–
PIN
MICROCONTROLLER
POWER
SUPPLY
08171-004
USB
HOST
3.3V
VBUS2
図 4.代表的なアプリケーション
プルアップ抵抗の遅延適用以外は、ADuM4160 は USB トラフィッ
クにとってトランスペアレントであり、アイソレーションを提供
するためにペリフェラル・デザインを変更する必要はありません。
アイソレータにより、ハブやケーブルと同等の伝搬遅延が信号に
加わります。データ・チェーン内の最大ハブ数を求めるとき、絶
縁型ペリフェラルは、組込みハブのように扱う必要があります。
ハブは、他のペリフェラルと同様に絶縁型にすることができます。
絶縁型ハブは、ハブ・チップのアップストリーム・ポートに
ADuM4160 を配置することにより実現することができます。この
構成をハブ 2 個の遅延としてカウントできる場合は、仕様に準拠
していると見なすことができます。ハブ・チップを使うと、
ADuM4160 はフル・スピードで動作することができ、さらにロ
ー・スピード・デバイスと互換性を維持することができます。
アップストリーム・アプリケーションの互換性
ADuM4160 は、USB ペリフェラルのアイソレーション用に特別に
デザインされていますが、このチップは USB ケーブル駆動の電気
的条件を満たす USB インターフェースを 2 つ内蔵しています。こ
れにより、アップストリーム・デバイスおよびダウンストリー
ム・デバイスに対する一般的な接続、さらにホスト・ポートのア
イソレーションを行う絶縁型ケーブルのような、ダウンストリー
ム USB ポートでのアイソレーションを実現することができるよう
になります。
フル準拠のアプリケーションでは、アップストリーム・プルアッ
プの適用に基づいて、ペリフェラルがロー・スピードまたはフ
ル・スピードのいずれであるかをダウンストリーム用ポートが検
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ADuM4160
ホスト・ポートでの ADuM4160 使用の実用的な方法は、ポートを
1 つの速度で動作させることです。この動作は、組込みホスト・
アプリケーションでは許容できますが、このタイプのインターフ
ェースは、汎用 USB ポートとして完全準拠にはなりません。
絶縁型ケーブル・アプリケーションにも同じ問題があります。ケー
ブル動作は予め設定された速度でのみ動作するため、ケーブル組
み立てを汎用絶縁型ケーブルとしてではなく、カスタム・アプリ
ケーションとして扱ってください。
プリント回路ボード(PCB)のレイアウト
ADuM4160デジタル・アイソレータには、ロジック・インターフ
ェース用の外付けインターフェース回路は不要です。フル・スピ
ード動作の場合、デバイスの両側のD+ラインとD−ラインには、
24 Ω ± 1%直列終端抵抗が必要です。これらの抵抗は、ロー・スピ
ード・アプリケーションには不要です。入力電源ピンと出力電源
ピンには電源バイパスが必要です( 図 5参照)。チップの両側の
VBUSxとVDDxの間にバイパス・コンデンサを接続してください。コ
ンデンサ値は0.1 µFで、ESRが小さい必要があります。コンデンサ
ピンと電源ピンとの間の合計リード長は10 mmを超えないように
します。各パッケージ側のグラウンド対がパッケージのすぐ近く
で接続されていない限り、ピン2とピン8の間およびピン9とピン
15の間でバイパスしてください。
電源オプション
VBUS1 = 5.0V INPUT
VDD1 = 3.3V OUTPUT
大部分の USB トランシーバでは、3.3 V を LDO レギュレータを使
って 5 V USB バスから発生しています。ADuM4160 は、アップス
トリーム側とダウンストリーム側に LDO レギュレータを内蔵し
ています。LDO 出力は、VDD1 ピンと VDD2 ピンから出力されてい
ます。場合によっては、アイソレーションのペリフェラル側では
特に、5 V 電源が存在しないことがあります。ADuM4160 は、レ
ギュレータをバイパスして直接 3.3 V 電源で動作する機能を持っ
ています。
2 本の電源ピン(VBUSx と VDDx)は、両側にあります。5 V を VBUSx に
入力すると、内部レギュレータは 3.3 V を発生して、xD+ドライバ
と xD−ドライバに電源を供給します。VDDx ピンからは、外部バイ
パスや外付けプルアップのバイアスを可能にする 3.3 V 電源が供
給されます。3.3 V のみを使用する場合には、VBUSx と VDDx に供給
することができます。これにより、レギュレータがディスエーブ
ルされて、カプラー電源が直接 3.3 V 電源から供給されます。
図 5 に、カプラーのアップストリーム側がUSBバスから直接電源
の供給を受け、ダウンストリーム側がペリフェラル電源から 3.3
Vの供給を受けるときの代表的なアプリケーションの構成方法を
示します。ダウンストリーム側は、5V VBUS2 電源から動作するこ
ともできます。必要に応じて、図 5に示すように、VBUS1 と同じ方
法で接続することができます。
VBUS1
GND1
VDD1
PDEN
SPU
UD–
UD+
GND1
VBUS2 = 3.3V INPUT
VDD2 = 3.3V INPUT
ADuM4160
VBUS2
GND2
VDD2
SPD
PIN
DD–
DD+
GND2
08171-005
出できる必要があります。バッファ規則とロジック規則により、
要求される速度に一致するように調節する必要があります。
ADuM4160 の速度はハードワイヤ・ピンで設定されるため、デバ
イスは即座に様々なペリフェラルに合わせることができません。
図 5.プリント回路ボードの推奨レイアウト
高い同相モード過渡電圧が発生するアプリケーションでは、アイ
ソレーション障壁を通過するボード結合が最小になるようにする
ことが重要です。さらに、如何なる結合もデバイス側のすべての
ピンで等しく発生するようにボード・レイアウトをデザインして
ください。この注意を怠ると、ピン間で発生する電位差がデバイ
スの絶対最大定格を超えてしまい、ラッチアップまたは恒久的な
損傷が発生することがあります。
DC精度と磁界耐性
アイソレータ入力での正および負のロジック変化により、狭いパ
ルス(約 1 ns)がトランスを経由してデコーダに送られます。デコ
ーダは双安定であるため、パルスによるセットまたはリセットに
より入力ロジックの変化が表されます。約 12 USBビット時間以上
入力にロジック変化がない場合、正常な入力状態を表す周期的な
リフレッシュ・パルスのセットを送信して、出力でのDCを正常に
維持します。デコーダが約 36 USBビット時間以上この入力パルス
を受信しないと、入力側が電源オフであるか非動作状態にあると
見なされ、ウォッチドッグ・タイマ回路によりアイソレータ出力
が強制的にデフォルト状態(表 10参照)にされます。
ADuM4160 の磁界耐性の限界は、トランスの受信側コイルに発生
する誘導電圧が十分大きくなり、デコーダをセットまたはリセッ
トさせる誤動作が発生することで決まります。
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ADuM4160
この状態が発生する条件を以下の解析により求めます。
ADuM4160 の 3 V 動作は最も感度の高い動作モードであるため、
この条件を調べます。
トランス出力でのパルスは 1.0 V 以上の振幅を持っています。デコ
ーダは約 0.5 V の検出スレッショールドを持つので、誘導電圧に
対しては 0.5 V の余裕を持っています。受信側コイルへの誘導電
圧は次式で与えられます。
V = (−dβ/dt)∑∏rn2; n = 1, 2, … , N
ここで、
β = 磁束密度(Gauss)。
N =受信側コイルの巻き数
rn =受信側コイル巻き数 n 回目の半径(cm)
ADuM4160 受信側コイルの形状が与えられ、かつ誘導電圧がデコ
ーダにおける 0.5 V余裕の最大 50%であるという条件が与えられ
ると、最大許容磁界は図 6のように計算されます。
100
10
DISTANCE = 100mm
1
DISTANCE = 5mm
0.1
0.01
1k
10k
100k
1M
10M
100M
MAGNETIC FIELD FREQUENCY (Hz)
100
MAXIMUM ALLOWABLE MAGNETIC FLUX
DENSITY (kguass)
DISTANCE = 1m
08171-007
MAXIMUM ALLOWABLE CURRENT (kA)
1000
図 7.様々な電流値と ADuM4160 までの距離に対する
最大許容電流
10
図から読み取れるように、ADuM4160 の耐性は極めて高く、影響
を受けるのは、高周波でかつデバイスに非常に近い極めて大きな
電流の場合に限られます。1 MHz の例では、デバイス動作に影響
を与えるためには、0.5 kA の電流を ADuM4160 から 5 mm の距離
まで近づける必要があります。
1
0.1
強い磁界と高周波が組合わさると、プリント回路ボードのパター
ンで形成されるループに十分大きな誤差電圧が誘導されて、後段
回路のスレッショールドがトリガされてしまうことに注意が必要
です。パターンのレイアウトでは、このようなことが発生しない
ように注意する必要があります。
0.001
1k
10k
100k
1M
10M
MAGNETIC FIELD FREQUENCY (Hz)
100M
08171-006
0.01
絶縁寿命
図 6.最大許容外部磁束密度
たとえば、磁界周波数= 1 MHz で、最大許容磁界= 0.2 k Ggauss の
場合、受信側コイルでの誘導電圧は 0.25V になります。これは検
出スレッショールドの約 50%であるため、出力変化の誤動作はあ
りません。同様に、仮にこのような条件が送信パルス内に存在し
ても(さらに最悪ケースの極性であっても)、受信パルスが 1.0 V 以
上から 0.75V へ減少されるため、デコーダの検出スレッショール
ド 0.5 V に対してなお余裕を持っています。
前述の磁束密度値は、ADuM4160 トランスから与えられた距離だ
け離れた特定の電流値に対応します。図 7に、周波数の関数とし
ての許容電流値を与えられた距離に対して示します。
すべての絶縁構造は、十分長い時間電圧ストレスを受けるとブレ
ークダウンします。絶縁性能の低下率は、絶縁に加えられる電圧
波形の特性に依存します。アナログ・デバイセズは、規制当局が
行うテストの他に、広範囲なセットの評価を実施して ADuM4160
の絶縁構造の寿命を測定しています。
アナログ・デバイセズは、定格連続動作電圧より高い電圧レベル
を使った加速寿命テストを実施しています。複数の動作条件に対
する加速ファクタを求めました。これらのファクタを使うと、実
際の動作電圧での故障までの時間を計算することができます。表
8に、バイポーラAC動作条件と最大推奨動作電圧での 50 年のサー
ビス寿命に対するピーク電圧と最大CSA/VDE認定動作電圧を示し
ます。多くのケースで、実証された動作電圧は 50 年サービス寿命
の電圧より高くなっています。これらの高い動作電圧での動作は、
ケースによって絶縁寿命を短くすることがあります。
ADuM4160 の絶縁寿命は、アイソレーション障壁に加えられる電
圧波形のタイプに依存します。
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ADuM4160
0V
します。
ユニポーラACまたはユニポーラDC電圧の場合、絶縁に加わるス
トレスは大幅に少なくなります。このために高い動作電圧での動
作が可能になり、さらに 50 年のサービス寿命を実現することがで
きます。表 8に示す動作電圧は、ユニポーラAC電圧またはユニポ
ーラDC電圧のケースに適合する場合、50 年最小寿命に適用する
ことができます。図 9または 図 10に適合しない絶縁電圧波形は、
バイポーラAC波形として扱う必要があり、ピーク電圧は表 8に示
す 50 年寿命電圧値に制限する必要があります。
図 9に示す電圧は、説明目的のためにのみ正弦波としています。す
なわち、0 Vとある規定値との間で変化する任意の電圧波形とす
ることができます。規定値は正または負となることができますが、
電圧は 0 Vを通過することはできません。
Rev. C
－ 13/14 －
図 8.バイポーラ AC 波形
RATED PEAK VOLTAGE
08171-009
バイポーラ AC 電圧は最も厳しい環境です。AC バイポーラ条件で
の 50 年動作寿命の目標により、アナログ・デバイセズが推奨する
最大動作電圧が決定されています。
08171-008
RATED PEAK VOLTAGE
0V
図 9.ユニポーラ AC 波形
RATED PEAK VOLTAGE
08171-010
iCoupler絶縁構造の性能は、波形がバイポーラAC、ユニポーラAC、
DCのいずれであるかに応じて、異なるレートで低下します。図 8、
図 9、 図 10に、これらのアイソレーション電圧波形を示
0V
図 10.DC 波形
ADuM4160
外形寸法
10.50 (0.4134)
10.10 (0.3976)
9
16
7.60 (0.2992)
7.40 (0.2913)
1
10.65 (0.4193)
10.00 (0.3937)
8
1.27 (0.0500)
BSC
0.30 (0.0118)
0.10 (0.0039)
COPLANARITY
0.10
0.75 (0.0295)
0.25 (0.0098)
2.65 (0.1043)
2.35 (0.0925)
8°
0°
SEATING
PLANE
0.51 (0.0201)
0.31 (0.0122)
45°
1.27 (0.0500)
0.40 (0.0157)
0.33 (0.0130)
0.20 (0.0079)
032707-B
COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-013- AA
CONTROLLING DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS; INCH DIMENSIONS
(IN PARENTHESES) ARE ROUNDED-OFF MILLIMETER EQUIVALENTS FOR
REFERENCE ONLY AND ARE NOT APPROPRIATE FOR USE IN DESIGN.
図 11.16 ピン標準スモール・アウトライン・パッケージ[SOIC_W]
ワイド・ボディ(RW-16)
寸法: mm (インチ)
13.00 (0.5118)
12.60 (0.4961)
9
16
7.60 (0.2992)
7.40 (0.2913)
8
10.65 (0.4193)
10.00 (0.3937)
2.65 (0.1043)
2.35 (0.0925)
0.30 (0.0118)
0.10 (0.0039)
COPLANARITY
0.10
1.27
(0.0500)
BSC
0.51 (0.0201)
0.31 (0.0122)
0.75 (0.0295)
45°
0.25 (0.0098)
8°
0°
SEATING
PLANE
0.33 (0.0130)
0.20 (0.0079)
1.27 (0.0500)
0.40 (0.0157)
COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MS-013-AC
CONTROLLING DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS; INCH DIMENSIONS
(IN PARENTHESES) ARE ROUNDED-OFF MILLIMETER EQUIVALENTS FOR
REFERENCE ONLY AND ARE NOT APPROPRIATE FOR USE IN DESIGN.
10-12-2010-A
1
図 12.16 ピン標準スモール・アウトライン・パッケージ、クリーペッジ強化型 [SOIC_IC]
ワイド・ボディ (RI-16)
寸法: mm (インチ)
オーダー・ガイド
Model 1 , 2
Number
of Inputs,
VDD1 Side
Number
of Inputs,
VDD2 Side
Maximum
Data Rate
(Mbps)
Maximum
Propagation
Delay, 5 V (ns)
Maximum
Jitter (ns)
Temperature Range
Package Description
Package
Option
ADuM4160BRWZ
ADuM4160BRWZ-RL
ADuM4160BRIZ
ADuM4160BRIZ-RL
2
2
2
2
2
2
2
2
12
12
12
12
70
70
70
70
3
3
3
3
−40°C to +105°C
−40°C to +105°C
−40°C to +105°C
−40°C to +105°C
16-Lead SOIC_W
16-Lead SOIC_W
16-Lead SOIC_IC
16-Lead SOIC_IC
RW-16
RW-16
RI-16
RI-16
EVAL-ADUM4160EBZ
1
2
Evaluation Board
Z = RoHS 準拠製品。
記載するすべてのデバイスについて、仕様ではフル・スピード・バッファ構成を表しています。
Rev. C
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