ADuM3160によるUSBアイソレータの製作

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、USBオシロスコープとパソコン接続時の絶縁などを考えています。

回路図

今回製作したUSBアイソレータの回路図です。

基本はデータシートの通りの回路です。

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, R7	2	220Ω	1608サイズ	秋月電子 (R-13833)
抵抗	R2	1	1kΩ	1608サイズ	秋月電子 (R-14122)
抵抗	R3, R4, R5, R6	4	24Ω	1608サイズ	共立電子
コンデンサ	C1, C7	2	100uF、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	6	0.1uF、6.3V以上	1608サイズ	秋月電子 (P-13374)
LED	D1, D2	2	OSHR1608C1A 赤色、OptoSupply	1608サイズ	秋月電子 (I-03978)
フェライト ビーズ	L1, L2	2	BLM18PG600SN1D 60Ω@100MHz,村田	1608サイズ	秋月電子 (P-04442)
コモンモード フィルタ	FL1	1	DLP11SN670SL2L 67Ω@100MHz,村田	1210サイズ	秋月電子 (P-06985)
USB コネクタ	J1	1	USB_Bタイプ(メス)	基板取付用	秋月電子 (C-00161)
USB コネクタ	J2	1	USB_Aタイプ(メス)	基板取付用	秋月電子 (C-11551)
ジャンパ	JP1	1	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	F1	1	MF-R050、Bourns	0.5A、1Aで遮断 耐圧60V	秋月電子 (P-12628)
IC	U1	1	ADUM3160	16ピン ワイドSOIC 絶縁電圧2500Vrms	秋月電子 (I-12767)
DC/DC コンバータ	U2	1	MCWI03-05S05 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	SW1	1	2-3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

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。

届いた基板

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。

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

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（在庫限り）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。

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。

動作確認

通信速度の確認

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。

消費電流の確認

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～。

Arduinoマイコンの書き込み・動作確認時のPCとの絶縁

USBアイソレータを挟んだ状態で、Arduino Uno R3に正常に書き込みできることを確認しました。

書き込み・動作確認時にPCと絶縁できるので、少し安心ですね。

アクティブラーニングモジュールADALM2000をつなげてみた

USBオシロスコープやファンクションジェネレータとして使えるADALM2000です。
PCと絶縁できると良いなと思ってつなげてみました。

残念ながらADALM2000は今回のUSBアイソレータを挟むと、使用できませんでした。

ADALM2000を繋ぐとUSBアイソレータの電源LEDがアクセスランプの如く点滅するので、電源供給能力が足りないのかもしれません。（消費電流は約450mA）

⇒ADALM2000に補助電源をつなげると、専用ソフト(Scopy)上で認識しましたが、接続しようとするとScopyが終了します。

残念ながら断念しました。

参考リンク

買ったほうが安いよという方はこちら。