ADuM3160によるUSBアイソレータの製作

ADuM3160を使用したUSBアイソレータ自作基板
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はじめに

秋月電子で売っているアナログデバイセズ社のADuM3160を使用したUSBデジタルアイソレータを製作しました。

用途としては、USBDACとパソコンの絶縁や、使用しているオシロスコープ(RIGOLのDS1054)とPC接続時の絶縁などを考えています。

回路図

回路図: ADuM3160 USBアイソレータ
USBアイソレータの回路図

基本はデータシートの通りの回路図です。

SW1の2,3ピンショートで一次側(アップストリーム側)から二次側(ダウンストリーム側)に電源を供給する絶縁型DCDCコンバータU2がONします。

バスパワーで動かす場合などは、U2をOFFか未実装に、またバスパワーの3.3Vで動作させる場合は、JP1をショートして使用する想定です。

今回は U2のDCDCコンバータを使用する条件で制作しています。

部品リスト

品名参照名数量数値・仕様規格・フットプリント購入先例
抵抗R1, R72220Ω1608サイズ秋月電子
(R-13833)
抵抗R211kΩ1608サイズ秋月電子
(R-14122)
抵抗R3, R4,
R5, R6
424Ω1608サイズ共立電子
コンデンサC1, C72100uF、6.3V以上電解コンデンサ
直径:6.3mm
ピッチ2.50mm
秋月電子
(P-02724)
コンデンサC2, C3,
C4, C5,
C6, C8
60.1uF、6.3V以上1608サイズ秋月電子
(P-13374)
LEDD1, D22OSHR1608C1A
赤色、OptoSupply
1608サイズ秋月電子
(I-03978)
フェライト
ビーズ
L1, L22BLM18PG600SN1D
60Ω@100MHz,村田
1608サイズ秋月電子
(P-04442)
コモンモード
フィルタ
FL11DLP11SN670SL2L
67Ω@100MHz,村田
1210サイズ秋月電子
(P-06985)
USB
コネクタ
J11USB_Bタイプ(メス)基板取付用秋月電子
(C-00161)
USB
コネクタ
J21USB_Aタイプ(メス)基板取付用秋月電子
(C-11551)
ジャンパJP11未接続
※2次側3.3V動作時
にショート
1608サイズ秋月電子
(R-11619)
リセッタブル
ヒューズ
F11MF-R050、Bourns0.5A、1Aで遮断
耐圧60V
秋月電子
(P-12628)
ICU11ADUM316016ピン
ワイドSOIC
絶縁電圧2500Vrms
秋月電子
(I-12767)
DC/DC
コンバータ
U21MCWI03-05S05
絶縁型、入力電圧4.5~9V
出力電流150mA~600mA
SIP-8秋月電子
(M-04261)
スイッチSW112-3ピンショートで
DC/DCコンバータがON
ピンヘッダ1×03
ピッチ2.54mm

テスト
パッド
TP1, TP2,
TP3, TP4
4電源モニタ用スルーホール

部品の値段が結構高い(約1600円)ですが、ほぼほぼ メインのUSBアイソレータIC ADuM3160 と絶縁型DC/DCコンバータのお値段です。基板を除いてコストの約85%です。

ちなみに、ADuM3160の耐圧は2500Vrmsです。
もっと耐圧の高い「ADuM4160」というICもありますが、今回一緒に使ったDC/DCコンバータ MCWI03-05S05の耐圧の方が低くて(DC1600V)ボトルネックになっているので、使う意味は無さそうです。

基板レイアウトと基板完成予想予想3D

KiCADの3D表示:C面
KiCADの3D表示:C面
KiCADの3D表示:S面
KiCADの3D表示:S面

基板サイズは秋月電子で売っているタカチのプラスチックケースSW-65Bにぴったり入るサイズを狙って設計してみました。USBのパターンは初めてなんでよく知りませんが、一応等長配線にしようとKiCADの差動ペア機能を使ってみて頑張ってみました。

C面部品配置図
C面部品配置図
S面部品配置図
S面部品配置図

届いた基板

届いた基板:Elecrowで製作
届いた基板:Elecrowで製作

今回はレジストの色を黄色にしてみました。意外と気に入ったので、以降の基板は黄色を指定して発注してます。

スルーホール部のクローズアップ
スルーホール部のクローズアップ

レジストをビアホールに被せる設定で作りましたが、大き目のビアホールだとレジストに穴が空いてしまう時があります。(今回はφ0.6)

もし、中はレジストの保護被膜もはんだレベラーも付いてないような状態となっている場合、酸化とかが不安ですね。次回からはビアのレジストは抜いた設定で作ろうかと思います。

レジストを抜く設定方法を下記の記事にまとめました。

組み立て後の写真

組み立て後の写真:C面
組み立て後の写真:C面
組み立て後の写真:S面
組み立て後の写真:S面

2次側の信号に調子に乗って「コモンモードチョークコイル」を付けたのですが、小さすぎました…。

秋月電子でディスコンではない常時在庫の部品ということで選定したのですが、ちょっと小さいけど頑張れば1005の部品もイケるから余裕だろ、と思ってましたがギリギリでした。

側面の電極を剥がしつつも何とか取り付け完了しました。

コモンモードチョークコイルのクローズアップ
コモンモードチョークのクローズアップ

基板の足は高さ10mmのスペーサーを使うとフタと部品が干渉して閉まらないので、4mmの足を使っています。(秋月電子:ミニカードスペーサー、MPS-04-0、北川工業製)

スナップフィットになってます。
ケースにはホットボンドで固定しようとおもいます。

タカチ製ケース SW-65B への仮組状態
タカチ製ケース SW-65B への仮組状態

動作確認

USBメモリでの動作確認
USBメモリで動作確認

とりあえずUSBメモリで正常に動作しているか確認しました。USBメモリを絶縁する意味は特に有りませんが…正常に読み書き出来ています。

電源ONの確認用に付けたLEDが結構眩しいです。
220Ωからもう少し大きい抵抗値に変えた方が良いかもしれません。
どうせ蓋をしたら見えないのでもったいないですしね。

ADuM3160はUSB2.0対応ですが、フルスピード(12Mbps)までの対応のため、書き込み速度は遅いです。
エクスプローラの表示で約0.7MB/sと、規格に対してはまずまずの速度が出ていることを確認しました。

書き込みスピード
書き込みスピード(12Mbpsなので遅いです)

USBアイソレータ単体の消費電流と、USBメモリ接続時の消費電流を測ってみました。

USB電圧電流チェッカー(ルートアール製RT-USBVAC6QC)を使用してます。

単体の消費電流が61mA、USBメモリを接続時に150mA-61mAで89mA増加。USBメモリ単体の消費電流は36mAでした。
ちょっと一次側の増加量が多い気がしますが、電流も小さいしDC/DCコンバータの効率を考えるとこの位なんですかね~。

アイドル時の消費電流
アイドル時の消費電流(アップストリーム側で測定、ダウンストリーム側には何も繋いでないとき)
61mA
USBメモリ接続時の消費電流
USBメモリ接続時の消費電流(アップストリーム側で測定)
150mA
 USBメモリ自体の消費電流
USBメモリ自体の消費電流(ダウンストリーム側で測定)
36mA(書き込みしてない状態)
USBメモリファイル書き込み時の消費電流
USBメモリファイル書き込み時の消費電流(アップストリーム側で測定) ※参考
164mA

自作基板電子工作
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