Teknikker og løsninger til USB-strøm og dataisolering

Den universelle serielle bus (USB) blev introduceret i 1996 og er blevet den førende metode til tilslutning af perifert udstyr til pc'er. Da USB-datahastigheder er steget i løbet af de sidste 24 år fra 1,5 megabit pr. sekund (Mbits/s) til over 20 gigabit pr. sekund (Gbits/s), har især producenter af test og måling lagt mærke til og er gået på markedet med USB-baseret testudstyr. Hobbyister har også udnyttet USB's allestedsnærværende og har udviklet mange af deres egne unikke måleværktøjer.

Der er dog en potentiel fare, der lurer, når du bruger eller designer USB-baseret udstyr tilsluttet til en pc's USB-port. Mens en enhed, der testes (DUT), kan få strøm fra en flydende strømforsyning, kan jordsløjfer muligvis komme i spil, når den er tilsluttet en jordforbundet pc. Som et resultat kan der genereres alvorlige potentialer på jorden, som kan forårsage kredsløbsskader eller værre personskade.

For at udrydde jordsløjfeforbindelser skal både strøm- og datakommunikationsstier isoleres galvanisk fra pc'ens USB-jord. Der er flere muligheder for at isolere datakommunikation afhængigt af datahastighed og protokol. Derudover kan der anvendes flere isoleringsstrategier inklusive kapacitive, optiske og elektromagnetiske.

Denne artikel definerer galvanisk isolering, før han beskriver mange af de forskellige USB-isoleringsteknologier og fordele og ulemper ved hver. Derefter introducerer den virkelige verdens isolationsløsninger fra Texas Instruments ,Würth Electronik ,ON Semiconductor og Analog Devices og vise, hvordan du anvender dem effektivt.

Hvad er galvanisk isolering?

I sin kerne forhindrer galvanisk isolering strømgennemstrømning eller ledning mellem to eller flere separate elektriske kredsløb, mens den stadig tillader energi og/eller information at passere mellem dem.

Af hensyn til forenkling vil denne artikel fokusere på to separate kredsløb, der kaldes den primære og den sekundære side. Det primære kredsløb er USB-drevet og deler tovejs datastrøm med en host-pc. Regionen, der adskiller kredsløbene, kaldes en isolationsbarriere og vælges for at modstå nedbrydningsspændinger på hundreder til tusinder af volt. Typisk er luft, siliciumdioxid (SiO₂), polyimid eller andet ikke-ledende materiale adskiller de to kredsløb (figur 1).

Figur 1: vist er et eksempel på galvanisk isolering mellem USB-indgangen på den primære side af kredsløbet og den sekundære side. Isolationsbarrieren skal kunne modstå spændinger på hundreder til tusinder af volt. (Billedkilde: DigiKey)

Isoleret dataoverførsel

Som defineret ovenfor tillader galvanisk isolering data- eller informationsoverførsel mellem de adskilte elektriske kredsløb. Men hvordan kan dette opnås uden nogen form for ledende materiale mellem kredsløbene? Der er flere praktiske løsninger på dette problem, herunder optiske, kapacitive og elektromagnetiske teknologier. Der er fordele og ulemper ved hver af disse tilgange som beskrevet nedenfor. For designeren kommer overvejelse af datahastigheder, elektrostatisk afladning (ESD), interferens og strømkrav alle i spil, når man beslutter, hvilken strategi der skal bruges.

Optisk: En af de mest kendte tilgange til isolering er den optiske isolator eller optoisolator (eller optokobler). Isolering opnås ved brug af en lysemitterende diode (LED) på den primære side af isolationsbarrieren og en fotofølsom transistor på den sekundære side. ON Semiconductor FOD817 er et godt eksempel på en optoisolator (figur 2). Data transmitteres ved hjælp af lysimpulser over isolationsbarrieren fra LED'en, som modtages af fototransistoren i en åben kollektorkonfiguration. Når LED'en er tændt, vil fotodioden generere en strøm i det sekundære kredsløb.

Da lys bruges til dataoverførsel, er optoisolatoren ikke modtagelig for elektromagnetisk interferens (EMI). På den negative side kan dataoverførselshastigheder være langsomme, fordi datahastigheden er en funktion af LED'ens skiftehastighed. Optoisolatorer har også en tendens til at have en kortere levetid sammenlignet med andre teknologier på grund af LED-nedbrydning over tid.

Figur 2: Optoisolator - LED'en udsender lysimpulser gennem isolationsbarrieren, som modtages af fotodioden og genererer strøm i det sekundære kredsløb. (Billedkilde: ON Semiconductor)

FOD817 er en enkeltkanalsenhed, der er klassificeret op til 5 kilovolt (kV) rms AC i et minut. Den består af en galliumarsenid (GaAs) infrarød (IR) LED, der driver en silicium fototransistor. Applikationer kan omfatte effektregulatorer og digitale logiske indgange.

Elektromagnetisk isolering: Dette er måske den ældste teknologiske tilgang til kredsløbsisolering. Grundlaget for elektromagnetisk induktion bruges til at overføre data (og strøm, som diskuteret senere) mellem to spoler. Denne tilgang er blevet forbedret betydeligt over tid af virksomheder som Analog Devices med sin iCoupler-teknologi. ICoupler-teknologien indlejrer transformatorspolerne i et integreret kredsløb og bruger et polyimidsubstrat til isolationsbarrieren.

Elektromagnetiske tilgange til isolering er mere modtagelige for magnetfeltinterferens end optoisolatorer, og de genererer deres eget potentielle EMI, som muligvis skal behandles i produktdesignfasen. Fordelene er dog højere datahastigheder på 100 Mbits/s eller mere og lavt strømforbrug.

ADuM1250 fra Analog Devices giver et eksempel på denne type teknologi (figur 3). Målretning mod tovejs I²C-dataisoleringsapplikationer såsom hot-swap-applikationer, enheden har en datahastighed på op til 1 Mbit/s og er klassificeret til 2500 volt rms i et minut pr. UL 1577. Den trækker 2,8 milliamper (mA) indgangsstrøm (IDD1) på den primære side og 2,7 mA strøm på den sekundære side (IDD2) ved en 5 volt forsyningsspænding (VDD1 og VDD2). Bemærk, at hvert I²C-kanal (clock og datalinjer) i ADuM1250 kræver to indlejrede transformere for at opnå tovejsretning.

Data transmitteres typisk mellem transformerspolerne ved hjælp af et kantovergangsskema. Kort, en nanosekundpuls bruges til at identificere for- og bagkanter på datasignalet. Kodning og afkodning af hardware er også indbygget i enheden.

Figur 3: På ADuM1250 dual I² C Isolator, hver jeg² C-linjen kræver to forskellige transformatorer for at opnå tovejsdata og uroverførsel. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Kapacitiv isolation: Kapacitiv isolering opnås, som navnet antyder, ved hjælp af kondensatorer (figur 4). På grund af egenskaberne ved kapacitiv teknologi blokeres DC-spænding af kondensatoren, mens AC får lov til at flyde frit.

Figur 4: Kapacitiv isolation udnytter den kapacitive karakteristik ved at blokere jævnstrømssignaler og lade vekselstrømssignaler strømme over isolationsbarrieren. (Billedkilde: Texas Instruments)

Ved at bruge en højfrekvent bærer (AC) til dataoverførsel på tværs af kondensatoren kan information sendes ved hjælp af et moduleringsskema såsom on-off keying (OOK). Tilstedeværelsen af et højfrekvent luftfartsselskab kan udgøre et digitalt output på nul (LAV), og fraværet af transportøren ville betyde en (HØJ) (figur 5).

Figur 5: Et OOK-skema til on-off bruger tilstedeværelsen eller fraværet af et højfrekvent bærebølgesignal (AC) leveret gennem isolationsbarrieren til at overføre et logisk niveau HIGH eller LOW-signal. (Billedkilde: Texas Instruments)

Ligesom magnetisk isolation er fordelene ved kapacitiv isolation høje dataoverførselshastigheder (100 Mbits/s eller højere) og lavt strømforbrug. Ulemper inkluderer større modtagelighed for elektrisk feltinterferens.

Et godt eksempel på kapacitiv isolationsteknologi er Texas Instruments 'ISO7742 quad-channel digital isolator med isolation op til 5000 volt rms. Enheden kommer i flere konfigurationer afhængigt af den krævede retning af datastrøm. Den har en datahastighed på 100 Mbits/s og bruger 1,5 mA pr. kanal. Ansøgninger om ISO7742 inkluderer medicinsk udstyr, strømforsyninger og industriel automatisering.

USB-strømisolering

Ved at være opmærksom på databladene for isoleringskomponenter, vil designere hurtigt indse, at hver side af isoleringskomponenten kræver separate strømkilder: en til den primære side og en til den sekundære side (VCC1 og VCC2), hver med deres respektive jordreference til opretholde isolationsbarrieren.

Hvis det pågældende design har separate strømkilder, USB 5 volt på den primære side og et separat batteri plus jord til at drive det sekundære, så er alt tilfredsstillende. Men hvis produktet er designet til en enkelt kilde, sig kun en USB 5 volt-indgang, hvordan leveres den sekundære isolationsspændingsforsyning? En DC/DC konverter (eller transformer driver) og en isolation transformer giver løsningen. DC/DC-konverteren kan bruges til at trinvis spænde op eller ned, mens transformeren giver den galvaniske isolering.

Et eksempel på en sådan isoleret strømforsyning er vist i figur 6 ved hjælp af en Texas Instruments SN6505 driver kombineret med en Würth Elektronik 750315371 isolationstransformator (2500 volt rms isolation). Brug af USB-standarden på 5 volt og 500 mA indgang til SN6505 giver typisk mere end nok strøm til at drive isolationskredsløb på sekundærsiden til dataoverførsel samt muligvis andre kredsløb såsom sensorer. De to dioder på den sekundære kredsløbsside giver udbedring af udgangen. Mange designs tilføjer en LDO-spændingsregulator med lavt dropout på den sekundære regulering af renere spænding.

Figur 6: Transformatordriveren Texas Instruments SN6505 kombineret med en Würth Elektronik 750315371 isolationstransformator giver en isoleret strømvej til at drive sekundærsidekredsen. (Billedkilde: Texas Instruments)

Et yderligere kriterium, der kan blive vigtigt for designeren: PCB ledig plads. Brug af separate komponenter til strøm og dataisolering kan forbruge værdifuld fast ejendom på en tavle. Den gode nyhed er, at der er enheder, der kombinerer både strøm- og dataoverførselsisolering i en enkelt pakke. Et eksempel på en sådan topologi er Analog Devices' ADuM5240 dobbeltkanal digital isolator (figur 7).

Figur 7. Analog Devices' ADuM5240 dual-channel digital isolator kombinerer både strøm og dataisolering i en enhed for at spare plads. (Billedkilde: Analog Devices)

ADuM5240 bruger transformerbaseret magnetisk isolering til både strøm og datatransmission i en enkelt pakke for at reducere de samlede pc-arealkrav. ADuM5240 tilvejebringer isolering af 2500 volt rms i 1 minut pr. UL 1577 og en datahastighed på op til 1 Mbit/s.

Upstream USB-dataisolering

Alle eksemplerne vist ovenfor antager isolation mellem det primære og det sekundære kredsløb. I tilfælde, hvor der allerede findes en periferiudstyr designet uden dataisoleringshardware, kan designere udføre isoleringen ved USB-grænsefladen (dvs. ved kablet). Dette skubber effektivt dataisolationen opstrøms mellem USB-hosten og USB-periferenheden (figur 8).

Figur 8: Hvis der allerede findes en periferiudstyr designet uden hardware til dataisolering, kan designere stadig yde beskyttelse ved at flytte USB-dataisolering opstrøms mellem USB-værten og USB-periferienheden. (Billedkilde: DigiKey)

For at implementere denne tilgang kan designere bruge Analog Device's ADuM4160 med isolering bedømt til 5000 volt rms i 1 minut. Denne løsning bruger den samme iCoupler-teknologi som beskrevet ovenfor, men isolering er målrettet mod USB-datagrænsefladen (D+ og D-) (figur 9). Yderligere applikationer til ADum4160 inkluderer isolerede USB-hubs og medicinsk udstyr.

Figur 9: De analoge enheder ADuM4160 tilvejebringer en USB-datalinie (D +, D-) isoleringsløsning, der kan være nyttig, hvor det er nødvendigt at give isolering ved USB-værts-til-perifert kabelforbindelse. (Billedkilde: Analog Devices)

Designhensyn til isolation

Hvordan vælger en designer den bedste isoleringsteknologi? Som nævnt ovenfor spiller flere faktorer for at vælge den rigtige teknologi til det aktuelle job. Tabel 1 viser et par af disse designkriterier på tværs af de forskellige typer isoleringsteknologier. Som med ethvert design, skal der tages nøje hensyn til at forstå de komponenter, der bruges fuldt ud. Der er ingen erstatning for grundig gennemgang af datablad og prototyper med udvalgte komponenter.

Tabel 1: Der er nogle nøglefaktorer, der skal overvejes, når de vælger en isoleringsmetode, men det er vigtigt, at designere nøje studerer databladet og prototypen med de valgte komponenter. (Datakilde: DigiKey)

Ud over dem, der er defineret i tabel 1, skal andre faktorer overvejes, når der udvikles USB-baserede isolerede perifere enheder. For eksempel skal det samlede energibudget, der kræves for den sekundære kredsløb, beregnes. Tilstrækkelig strøm skal overføres fra den primære side til den isolerede sekundære kredsløb for at levere al den nødvendige effekt til ikke kun isoleringskomponenterne, men også andre enheder såsom sensorer, lysdioder og logiske komponenter.

Som nævnt ovenfor skal der, hvis der anvendes en elektromagnetisk isoleringsopløsning, også tages højde for potentiel EMI genereret fra transformator (erne) ved emissionstest og/eller EMI-indvirkning på andre kredsløb.

Konklusion

USB fortsætter med at vokse i dataoverførselshastigheder og leveringsfunktioner til strømkilde. Når man designer produkter med USB-strøm og/eller datagrænseflade, er det dog klogt at holde galvanisk isolering af data og strømkredsløb i top.

For at opnå galvanisk isolation kan designere vælge mellem optiske, kapacitive og elektromagnetiske tilgange efter at have taget hensyn til flere kriterier, herunder dataoverførselshastigheder og EMI, samt krav til strøm og kortplads. Uanset hvilken der vælges, er der mange løsninger til rådighed, der hjælper designere med at sikre både integriteten af kredsløbet og sikkerheden for designeren og slutbrugeren.