Techniky a řešení pro napájení a izolaci dat rozhraní USB

Univerzální sériová sběrnice (USB), která byla představena v roce 1996, se stala hlavní metodou připojení periferních zařízení k počítači. Nárůstu datových rychlostí USB za posledních 24 let z 1,5 Mbit/s na více než 20 Gbit/s si povšimli zejména výrobci testů a měřicích zařízení a přišli na trh s testovacími zařízeními založenými na standardu USB. Domácí kutilové využili všudypřítomnosti USB také a vyvinuli celou řadu svých vlastních jedinečných měřicích nástrojů.

Při používání nebo navrhování zařízení založeného na USB a připojeného k portu USB počítače však hrozí potenciální nebezpečí. Přestože může být testované zařízení („device under test“, DUT) napájeno z plovoucího napájecího zdroje, jakmile se zapojí do uzemněného počítače, může dojít k zemním smyčkám. Ve výsledku mohou vznikat velké rozdíly potenciálu země, které mohou poškodit obvod nebo ještě hůř – vést ke zranění osob.

Chcete-li zabránit zemním smyčkám, je třeba galvanicky oddělit napájecí i datové komunikační vedení od uzemnění konektoru USB počítače. V závislosti na datové rychlosti a protokolu existuje několik možností izolace datové komunikace. Kromě toho lze nasadit více izolačních strategií, včetně kapacitní, optické a elektromagnetické.

V tomto článku je definováno galvanické oddělení a poté je zde popsáno mnoha různých technologií izolace USB spolu s jejich jednotlivými výhodami a nevýhodami. Poté jsou zde představena skutečná izolační řešení od společností Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor a Analog Devices a způsoby, jak je efektivně aplikovat.

Co je galvanické oddělení?

Podstatou galvanického oddělení je bránit toku proudu nebo kondukci mezi dvěma nebo více samostatnými elektrickými obvody, přičemž je stále umožněn průchod energie nebo informací mezi nimi.

Za účelem zjednodušení se tento článek zaměří na dva samostatné obvody, označované jako primární a sekundární strana. Primární obvod je napájen z USB a sdílí obousměrný tok dat s hostitelským počítačem. Oblast oddělující tyto obvody se nazývá izolační bariéra a musí vydržet průrazná napětí stovek až tisíců voltů. Jako oddělovací materiál mezi dvěma obvody se obvykle volí vzduch, oxid křemičitý (SiO₂), polyimid nebo jiný nevodivý materiál (obrázek 1).

Obrázek 1: Příklad galvanického oddělení mezi vstupem USB na primární straně a sekundární straně obvodu. Izolační bariéra musí vydržet napětí stovky až tisíce voltů. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Izolovaný přenos dat

Jak je uvedeno výše, galvanické oddělení umožňuje přenos dat nebo informací mezi oddělenými elektrickými obvody. Ale jak toho lze dosáhnout bez nějakého druhu vodivého materiálu mezi obvody? Existuje několik praktických řešení tohoto problému, včetně optických, kapacitních a elektromagnetických technologií. Níže jsou uvedeny výhody a nevýhody těchto jednotlivých přístupů. Konstruktér musí při úvaze o tom, jakou strategii použít, zohlednit datovou rychlost, elektrostatický výboj (ESD), rušení a požadavky na napájení.

Optické řešení: Jedním z nejznámějších přístupů k izolaci je optický izolátor nebo optoizolátor (či optočlen). Izolace se dosahuje použitím světelné diody (LED) na primární straně izolační bariéry a fotocitlivého tranzistoru na sekundární straně. Dobrým příkladem optoizolátoru je model FOD817 společnosti ON Semiconductor (obrázek 2). Data jsou přenášena pomocí světelných pulzů přes izolační bariéru z LED diody do přijímací strany v podobě fototranzistoru v konfiguraci s otevřeným kolektorem. Když LED dioda svítí, generuje fotodioda tok proudu v sekundárním obvodu.

Vzhledem k tomu, že se k přenosu dat používá světlo, není optoizolátor citlivý na elektromagnetické rušení (EMI). Na druhou stranu mohou být rychlosti přenosu dat pomalé, protože tato rychlost je funkcí spínací rychlosti LED diody. Ve srovnání s jinými technologiemi mívají optoizolátory také kratší životnost kvůli degradaci LED diod v průběhu času.

Obrázek 2: Optoizolátor – LED dioda vydává přes izolační bariéru světelné impulzy, které jsou přijímány fotodiodou a generují tok proudu v sekundárním obvodu. (Zdroj obrázku: společnost ON Semiconductor)

FOD817 je jednokanálové zařízení, které odolá až 5 kV rms AC po dobu jedné minuty. Obsahuje infračervenou (IR) LED diodu arzenidu gallia (GaAs), která pohání křemíkový fototranzistor. Mezi aplikace mohou patřit regulátory výkonu a digitální logické vstupy.

Elektromagnetická izolace: Jedná se o zřejmě nejstarší technologický přístup k izolaci obvodů. Základy elektromagnetické indukce se využívají k přenosu dat (a výkonu, jak bude popsáno dále) mezi dvěma cívkami. Tento přístup byl v průběhu času významně vylepšen společnostmi jako Analog Devices s její technologií iCoupler. Technologie iCoupler zabudovává do integrovaného obvodu transformátorové cívky a pro izolační bariéru používá polyimidový substrát.

Elektromagnetické přístupy k izolaci jsou náchylnější k rušení magnetickým polem než optoizolátory a vytvářejí vlastní potenciální elektromagnetické rušení, které může být nutné řešit ve fázi návrhu produktu. Výhodou však jsou vyšší přenosové rychlosti 100 Mb/s nebo více a nízká spotřeba energie.

Typickým příkladem této technologie je zařízení ADuM1250 od společnosti Analog Devices (obrázek 3). Je určené pro aplikace oddělení obousměrného přenosu dat I², jako jsou aplikace vyměnitelné za provozu. Zařízení nabízí datovou rychlost až 1 Mbit/s a je podle standardu UL 1577 dimenzováno na 2500 V rms po dobu jedné minuty. Jeho spotřeba je 2,8 mA vstupního proudu (IDD1) na primární straně a 2,7 mA proudu na sekundární straně (IDD2) při napájecím napětí 5 V (VDD1 a VDD2). Každý kanál I²C (hodiny a datové linky) vyžaduje pro dosažení obousměrnosti v zařízení ADuM1250 dva zabudované transformátory.

Data se obvykle přenášejí mezi cívkami transformátoru pomocí velmi krátkých impulzů („edge transition schema“). Krátké jednonanosekundové impulzy se používají k identifikaci náběžné a sestupné hrany datového signálu. Součástí zařízení je také hardware pro kódování a dekódování.

Obrázek 3: V duálním izolátoru ADuM1250 I²C vyžaduje každá linka I²C dva odlišné transformátory, aby bylo možné dosáhnout obousměrného přenosu dat a hodin. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Kapacitní izolace: Kapacitní izolace se provádí, jak již naznačuje její název, pomocí kondenzátorů (obrázek 4). Kvůli vlastnostem kapacitní technologie je stejnosměrné napětí blokováno kondenzátorem, zatímco střídavé napětí může volně proudit.

Obrázek 4: Kapacitní izolace využívá kapacitní charakteristiku blokování stejnosměrných signálů a umožňuje tok střídavých signálů přes izolační bariéru. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Použitím vysokofrekvenční nosné (AC) pro přenos dat přes kondenzátor lze informace předávat pomocí modulačního schématu, jako je OOK („on-off keying“). Přítomnost vysokofrekvenční nosné může představovat digitální výstup s logickou úrovní nula (LOW) a absence nosné by znamenala logickou úroveň jedna (HIGH) (obrázek 5).

Obrázek 5: Schéma OOK („of on-off keying“) využívá přítomnost nebo nepřítomnost signálu vysokofrekvenční nosné (AC) k přenosu signálu HIGH nebo LOW na logické úrovni přes izolační bariéru. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Stejně jako u magnetická izolace je výhodou i kapacitní izolace vysoká rychlost přenosu dat (100 Mb/s nebo vyšší) a nízká spotřeba energie. Mezi nevýhody patří větší náchylnost k rušení elektrickým polem.

Skvělým příkladem technologie kapacitní izolace je čtyřkanálový digitální izolátor ISO7742 společnosti Texas Instruments s izolací do 5 000 V rms. Zařízení se dodává v několika konfiguracích v závislosti na požadovaném směru toku dat. Nabízí datový tok 100 Mbit/s a spotřebovává 1,5 mA na kanál. Aplikace izolátoru ISO7742 zahrnují lékařská zařízení, napájecí zdroje a průmyslovou automatizaci.

Oddělení napájení USB

Věnují-li konstruktéři dostatečnou pozornost katalogovým listům, rychle zjistí, že každá strana izolační komponenty vyžaduje samostatné zdroje energie: jeden pro primární stranu a druhý pro sekundární stranu (VCC1 a VCC2), každý s příslušným uzemněním k zachování izolační bariéry.

Pokud má uvažovaný návrh samostatné zdroje napájení, USB 5 V na primární straně a samostatnou baterii plus zem pro napájení sekundární strany, pak je vše v pořádku. Pokud je však produkt navržen pro jediný zdroj, řekněme pouze vstupem USB 5 V, jak je zajištěno napájení sekundárního izolačního napětí? Řešením je DC-DC převodník (nebo ovladač transformátoru) a izolační transformátor. DC-DC převodník lze použít ke zvýšení nebo snížení napětí, zatímco transformátor zajišťuje galvanické oddělení.

Příklad takového izolovaného napájecího zdroje je uveden na obrázku 6 pomocí ovladače SN6505 společnosti Texas Instruments kombinovaného s izolačním transformátorem 750315371 společnosti Würth Elektronik (izolace 2500 V rms). Ovladač SN6505 poskytuje pomocí standardu USB o napětí 5 V a vstupu 500 mA obvykle více než dostatek energie pro pohon izolačních obvodů sekundární strany pro přenos dat, jakož i případně dalších obvodů, jako jsou senzory. Dvě diody na straně sekundárního obvodu zajišťují usměrnění na výstupu. V mnoha návrzích se na sekundární straně přidává regulátor s nízkým úbytkem napětí (LDO) pro čistší regulaci napětí.

Obrázek 6: Ovladač transformátoru SN6505 společnosti Texas Instruments v kombinaci s izolačním transformátorem 750315371 společnosti Würth Elektronik poskytuje oddělení napájení pro řízení obvodu sekundární strany. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Další kritérium, které může pro konstruktéra důležité, je dostupné místo na desce s tištěnými spoji (PCB). Použití samostatných komponent pro izolaci napájení a dat může spotřebovat cenné místo na desce. Dobrou zprávou je, že existují zařízení, která kombinují izolaci napájení i přenosu dat do jednoho balíčku. Příkladem takové topologie je dvoukanálový digitální izolátor ADuM5240 společnosti Analog Devices (obrázek 7).

Obrázek 7: Dvoukanálový digitální izolátor ADuM5240 společnosti Analog Devices kombinuje izolaci napájení i dat v jednom zařízení, a šetří tak místo. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Zařízení ADuM5240 využívá magnetickou izolaci na základě transformátoru jak pro přenos napájení, tak dat v jednom balíčku, aby snížil celkové požadavky na plochu PC desky. Model ADuM5240 poskytuje podle standardu UL 1577 izolaci 2500 V rms po dobu 1 minuty a datovou rychlost až 1 Mbit/s.

Oddělení dat USB přímo na kabelu

Všechny výše uvedené příklady předpokládají oddělení mezi primárním a sekundárním obvodem. V případech periferního zařízení navrženého bez hardwaru pro izolaci dat mohou konstruktéři provést izolaci na rozhraní USB (tj. na kabelu). Tím se efektivně posune izolace dat proti proudu mezi hostitelem USB a periferním zařízením USB (obrázek 8).

Obrázek 8: Pokud je periferní zařízení navržené bez hardwaru pro izolaci dat, mohou konstruktéři stále poskytovat ochranu přesunutím izolace dat USB proti proudu mezi hostitelem USB a periferním zařízením USB. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

K implementaci tohoto přístupu mohou návrháři použít zařízení ADuM4160 společnosti Analog Devices s izolací dimenzovanou na 5000 V rms po dobu 1 minuty. Toto řešení používá stejnou technologii iCoupler, která je popsána výše, ale izolace je zaměřena na datové rozhraní USB (D + a D−) (obrázek 9). Mezi další aplikace pro zařízení ADum4160 patří izolované rozbočovače USB a lékařské přístroje.

Obrázek 9: Zařízení ADuM4160 společnosti Analog Devices poskytuje řešení izolace datové linky USB (D +, D−), které může být užitečné tam, kde je nutné zajistit izolaci při připojení kabelem mezi USB hostitelem a periferním zařízením. (Zdroj obrázku: společnosti Analog Devices, Inc.)

Faktory, které je nutné brát při izolaci v potaz

Jak konstruktér vybere nejlepší izolační technologii? Jak je zmíněno výše, při výběru správné technologie pro danou úlohu hraje roli několik faktorů. V tabulce 1 je uvedeno několik z těchto kritérií návrhu napříč různými typy izolačních technologií. Stejně jako u jiných návrhů je třeba pečlivě zvážit použité komponenty a plně porozumět jejich fungování. Pečlivé pročtení katalogových listů a prototypování s vybranými součástkami nemůže nic nahradit.

Tabulka 1: Při výběru izolačního přístupu je třeba vzít v úvahu několik klíčových faktorů, ale je zásadně důležité, aby konstruktéři pečlivě prostudovali katalogový list a s vybranými komponentami prototypovali. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Při vývoji izolovaných periferních zařízení založených na USB je kromě faktorů definovaných v tabulce 1 třeba vzít v úvahu i další aspekty. Například musí být vypočítán celkový rozpočet napájení potřebný pro sekundární obvod. Musí být převeden dostatečný výkon z primární strany do izolovaného sekundárního obvodu, aby bylo možné dodat veškerý potřebný výkon nejen pro izolační součásti, ale také pro všechna další zařízení, jako jsou senzory, LED diody a logické součásti.

Jak je uvedeno výše, při použití řešení elektromagnetické izolace musí být při testování emisí nebo dopadu elektromagnetického rušení na jiné obvody zohledněno potenciální elektromagnetické rušení generované z transformátorů.

Závěr

Rychlost přenosu dat a možnosti dodávané energie rozhraní USB neustále rostou. Při navrhování produktů s USB napájením nebo datovým rozhraním je však rozumné mít na paměti galvanické oddělení datového a napájecího obvodu.

K dosažení galvanického oddělení si mohou konstruktéři vybrat mezi optickým, kapacitním a elektromagnetickým přístupem po zohlednění více kritérií, včetně rychlosti přenosu dat a elektromagnetického rušení, jakož i požadavků na napájení a na prostor na desce. Bez ohledu na to, který přístup se zvolí, existuje mnoho řešení, která konstruktérům pomohou zajistit jak integritu obvodu, tak bezpečnost konstruktéra a koncového uživatele.