先放个成品图😎

——————————————————分割线——————————————————

前一阵子突然想要一个USB隔离器，于是先上淘宝看了看，发现大多数都是下面这种几十块钱的烂货:

这种方案一眼就能看出来：一片打磨拆机的ADUM3160+一个1块钱的B0505S-1W，其他各种保护则是基本没有。

其中，ADUM3160限制了USB的速度，使其只支持Full-Speed(12Mbps)：

B0505S-1W更是重量级，隔离耐压只有1500Vdc，效率低发热大不说，纹波与EMI更是巨大，而且隔离输出的电流只有可怜的200mA，并且还是非稳压输出！！！

这还是立创上面有卖的，比较正规一点有手册的产品，淘宝上卖的估计就给你用个1块钱的隔离模块拉倒。

由此，因为嫌弃现成的东西太烂，于是我准备自己做–个好的——外观好看，性能也好。

1-预期性能

由于是自己做，那对于性能的要求自然是各项拉满，具体如下：
1.USB2.0 High-Speed 480Mbps的速度
2.5000kVdc以上的隔离电压
3.至少1.5A的输出电流能力
4.输出稳压为5V
5.低EMI，低输出纹波

2-主要芯片选型

2-1 USB隔离芯片选型

目前市面上主流的USB2.0 HS隔离有两种方案，TI的ISOUSB211以及ADI的ADUM3165/3166/4165/4166(数字不同仅代表隔离耐压以及时钟输入方向不同)。
这里选用了TI的ISOUSB211，因为它小一些而且性能够，最重要的是好买一些(

2-2 隔离电源芯片选型

选芯片首先要确定拓扑，这里首先排除天生不太适合低纹波低EMI的反激，然后排除较为复杂的谐振变换器比如LLC之类的，最后选择了较为简单，并且适合低EMI与低纹波的推挽拓扑。

这里为了追求低EMI与低纹波，打算选用LT的超低噪声推挽稳压器，基本上就是LT1533/LT1683/LT3439/LT3999这四个。

由于除了LT3999之外其他的都是SSOP/SOIC封装的，太大了，所以这里打算用LT3999的DFN封装。

2-3 次级侧稳压芯片选型

由于LT3999不带反馈，所以需要在次级侧做稳压，为了追求低纹波低噪声，这里打算用一个LDO来完成稳压；为了尽可能提升效率，这个LDO要适合工作在小压差下，并且输出电流≥2A。

TI的TPS7A8300，这个非常便宜(立创买几块钱)，输入耐压到6.5V（AbsMax为7V)，输出电流2A，Dropout在2A时仅为125mV，非常合适。

2-4 其他DC-DC选型

2-4-1 LT3999配套Boost选型

由于LT3999的开关限流为1A，为了保证次级侧的输出电流大于1.5A，这里需要抬高一下LT3999的输入电源轨，考虑到一些纹波电流以及留一些余量之后，LT3999的输入电压应当在12V-15V左右。

所以，这里需要一个BOOST稳压器，把USB的5V升到12V-15V左右，在送入LT3999。

挑了半天感觉TPS61178最合适，引脚排布合理，最高出20V，开关限流10A，同步整流，效率应该能做到比较高。

2-4-2 ISOUSB211配套Buck选型

另外，ISOUSB211还需要1.8V的供电，尽管可以使用内部的线性稳压器来产生，但是这样会烫烫烫烫，所以我打算在外部用一个BUCK由5V产生1.8V，由于这个1.8V没什么要求，所以就选一个小小的也很便宜的TPS82130就可以了。

2-5 保护部分选型

保护部分主要分为电源线上的保护与数据线上的保护

2-5-1 电源线保护部分选型

首先，次级侧(隔离侧)的输出打算加一个最大电流为2A的自恢复保险丝，看到Little Fuse的1206L200SL不错，导通电阻很小，就用它了：

然后，电源线上要有一个TVS到地，看到TI有一个新型的TVS，叫TVS0500，貌似性能不错：

其内部就是一个有源FET钳位，如下图：

它的钳位能力很不错，所以这里打算选用这个，但是又担心它的响应速度不如传统的TVS，于是准备再给它并一个传统的TVS，这里选一个低寄生电感的小封装TVS即可：

这里插一句，很多地方经常把ESD与TVS搞混，其实这俩不太能混用；ESD主要用于数据线保护，承受冲击能力较差但结电容小，用在高速信号线上插损不大；TVS主要用于电源线防护，承受冲击能力强，结电容大，结电容大用于电源线上是好事，但是用于数据线上就会造成过大的插损。至于其具体的内部结构，东芝有讲(https://toshiba-semicon-storage.com/cn/semiconductor/knowledge/e-learning/basics-of-tvs-diodes.html)。

2-5-2 数据线保护部分选型

USB数据线保护本来习惯性的想用RCLAMP0522P.TCT的，结果偶然发现ST有个USB专用ESD，还集成了共模电感，感觉很不错，于是选了它：

3-原理图设计

选型完成，接下来开始画原理图!
这里为了尽量压缩体积，打算把信号和电源分开做两个小板，立体堆叠。

3-1 信号隔离部分

基本没啥特别的，配置一下ISOUSB211，加两个Buck和一个LDO，再来点外围就好了

3-2 隔离电源部分

隔离电源部分也很简单，一个Boost+推挽：

其中，D3，D4用来防止变压器漏感造成的电压尖峰击穿芯片，并且回收一部分能量到输入端；类似反激里面的一个肖特基串一个齐纳的钳位电路，不过这里为了减小占板面积，用一个双向ESD替代，效果一样。注意这里最好选不带回扫的ESD。

次级侧这里我改变了二极管的连接方式，这样二极管可以直接连接到大面积的地，方便散热。综合考虑正向压降与反向漏电流，这里D1，D2选择PMEG3050BEP，以最大化效率。

L1这里起到抑制电流突变的作用，可降低电流纹波与斜率，同时改善EMI降低纹波，并且提升效率与最大输出电流能力。注意L1与变压器连接的节点不要加电容，这样虽然输出纹波可能更低，但是电流纹波与斜率会变大，EMI变大，效率降低，输出电流能力也降低。

由于漏感，DCR，开关管压降以及二极管压降，整个推挽隔离电源的负载调整率并不太好，要保证输出1.5A时仍有足够的压差给后级LDO，在负载很轻的时候输出电压可能过大；为了防止击穿后级LDO，这里加入一个高精度的齐纳管D6，保证输出电压不超过7V，也就是TPS7A8300的AbsMax Vin。

在LT3999的两个开关节点之间加入R3与C6，降低开关节点振铃的频率，优化EMI。

Boost的设计直接交给Webench就行，在Webench生成的电路基础上，这里还加上了D5，为了降低Boost芯片内部上管体二极管的Qrr带来的损耗，提升效率。

4-变压器设计

4-1 变压器磁芯选型

我们这里需要一种比较扁平比较小的变压器骨架，那么就锁定EFD/EPC/ER系列，从中选取一个最小的且能提供至少8mm爬电距离的骨架，于是暂定EPC13。

根据Wurth的资料，EPC13用作推挽出个10W以上应该是没什么问题的：

而且它的尺寸也比较合适，于是这里选择了EPC13。

为了进一步提升效率，磁芯材质这里选择PC95的，磁损更小些。

4-2 绕制线材选择

为了足够的隔离耐压，这里选用了三层绝缘线：

4-3 绕制方式设计

在设计绕制方式之前，首先需要知道磁芯和骨架的尺寸，如下：

(10.5-6.9)/2=1.8mm，两侧的绕组空间为1.8mm

绕发的话，这里用次级包初级的绕法，这样绕制比较简单，而且漏感相对较小，如下图所示：

其中，绕组空间初次级两侧对半分，这样整体损耗最小；这样的话，单侧有四层线，那么每层线的最大直径就是1.8/4=0.45mm，胶带的厚度可以忽略，因为磁芯尺寸的10.5mm是最小值，通常为11mm，足以容纳。

这里直接选用0.45mm外径的线，其内部铜芯直径为0.25mm，而铜在200kHz时的趋肤深度是0.15mm，0.25mm的线用在这里趋肤效应不太明显，所以不需要用多股利兹线了。

然后，就是设计绕制圈数了，这里以略大于2：1的目标设计：

初级侧，单线绕，可以绕6.9/0.45=15.333，向下取整，15匝。
次级侧，双线并绕，可以绕(6.9-0.45)/(0.45*2)=7.1666，向下取整，7匝，这里绕6匝来增大电流变比，让LT3999尽量远离限流。

4-4 变压器参数计算

计算参数来源参照下面的TDK的PC95材质特性表:

与EPC13的特性表：

初级侧电感： $L_{PRI}=A_{l}×N_{p}^2=1.06×10^{-6}×15^2=238.5μH$
次级侧电感： $L_{SEC}=A_{l}×N_{s}^2=1.06×10^{-6}×6^2=38.16μH$
伏秒积： $2×N_{p}×B_{s}×A_{e}=2×15×0.38×12.5×10^{-6}=142.5Vμsec$