Teknikker og løsninger for USB-strøm og dataisolasjon

Den universelle seriebussen (USB) ble introdusert i 1996 og har blitt den ledende metoden for å koble periferiutstyr til PC-er. Med USB-datahastigheter som har økt i løpet av de siste 24 årene fra 1,5 megabits per sekund (Mbits/s) til over 20 gigabits per sekund (Gbits/s), har spesielt test- og måleprodusenter lagt merke til og har gått på markedet med USB-basert testutstyr. Amatørbyggere har også utnyttet allmennheten av USB og har utviklet mange av sine egne unike måleverktøy.

Det er imidlertid en potensiell fare som lurer når du bruker eller designer USB-basert utstyr koblet til PC-ens USB-port. Mens en DUT-test (device under test) kan drives fra en jordingsfri strømforsyning, kan jordsløyfer spille deg et puss når den er koblet til en jordet PC. Som et resultat kan det genereres alvorlige forskjeller i jordpotensialet som kan forårsake skade på kretser, eller i verste fall personskade.

For å eliminere jordsløyfetilkoblinger, må både strøm- og datakommunikasjonsbaner være galvanisk isolert fra PC-ens USB-jording. Det er flere alternativer for å isolere datakommunikasjon avhengig av datahastigheten og protokollen. I tillegg kan flere isolasjonsstrategier implementeres, inkludert kapasitetsmessig, optisk og elektromagnetisk.

Denne artikkelen definerer galvanisk isolasjon før den beskriver mange av de forskjellige USB-isolasjonsteknologiene og fordelene og ulempene ved hver. Deretter introduseres virkelige isolasjonsløsninger fra Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor og Analog Devices, samt vi viser hvordan du anvender dem effektivt.

Hva er galvanisk isolasjon?

I kjernen hindrer galvanisk isolasjon strømgjennomstrømning eller ledning mellom to eller flere separate elektriske kretser, samtidig som energi og/eller informasjon kan passere mellom dem.

Av forenklingshensyn vil denne artikkelen fokusere på to separate kretser, kalt primær- og sekundærsiden. Primærkretsen er USB-drevet og deler toveis dataflyt med en verts-PC. Området som skiller kretsene kalles en isolasjonsbarriere og velges for å tåle bruddspenninger på hundrevis til tusenvis av volt. Vanligvis skiller luft, silisiumdioksid (SiO₂), polyimid eller annet ikke-ledende materiale de to kretsene (figur 1).

Figur 1: Vist er et eksempel på galvanisk isolasjon mellom USB-inngangen på primærsiden av kretsen og sekundærsiden. Isolasjonsbarrieren må tåle spenninger på hundrevis til tusenvis av volt. (Bildekilde: DigiKey)

Isolerte dataoverføringer

Som definert ovenfor tillater galvanisk isolasjon data- eller informasjonsoverføring mellom de adskilte elektriske kretsene. Men hvordan kan dette oppnås uten en eller annen type ledende materiale mellom kretsene? Det er flere praktiske løsninger på dette problemet, inkludert optiske, kapasitive og elektromagnetiske teknologier. Det er fordeler og ulemper med hver av disse tilnærmingene som beskrevet nedenfor. For kdesigneren spiller hensynet til datahastigheter, elektrostatisk utladning (electrostatic discharge – ESD), interferens og strømbehov inn når man skal bestemme hvilken strategi som skal brukes.

Optisk: En av de mest kjente tilnærmingene til isolasjon er den optiske isolatoren eller optoisolatoren (eller optokobleren). Isolasjon oppnås ved bruk av en lysdiode (LED) på primærsiden av isolasjonsbarrieren og en fotosensitiv transistor på sekundærsiden. ON Semiconductor FOD817 er et godt eksempel på en optoisolator (figur 2). Data overføres ved hjelp av lyspulser over isolasjonsbarrieren fra lysdioden, som mottas av fototransistoren i en konfigurasjon med åpen kollektor. Når lysdioden er på, vil fotodioden generere en strømflyt i den sekundære kretsen.

Gitt at lys brukes til dataoverføring, er optoisolatoren ikke utsatt for elektromagnetisk interferens (EMI). På den negative siden kan dataoverføringshastighetene være langsomme fordi datahastigheten er en funksjon til bryterhastigheten til lysdioden. Også optoisolatorer har en tendens til å ha en kortere levetid sammenlignet med andre teknologier på grunn av svekkelsen lysdioden får med tiden (nedbrytning).

Figur 2: Optoisolator – lysdioden sender ut lyspulser gjennom isolasjonsbarrieren som mottas av fotodioden og genererer strømflyt i sekundærkretsen. (Bildekilde: ON Semiconductor)

FOD817 er en enkanals enhet klassifisert opptil 5 kVrms AC i ett minutt. Den omfatter en infrarød (IR)-lysdiode av galliumarsenid (GaAs) som driver en silisiumfototransistor. Produkter kan inkludere strømregulatorer og digitale logiske innganger.

Elektromagnetisk isolasjon: Dette er kanskje den eldste teknologiske tilnærmingen til kretsisolasjon. Grunnleggende for elektromagnetisk induksjon brukes til å overføre data (og strøm, som drøftet senere) mellom to spoler. Denne tilnærmingen har blitt betydelig forbedret over tid av selskaper som Analog Devices med sin iCoupler-teknologi. iCoupler-teknologien innebygger transformatorspolene i en integrert krets og bruker et polyimidsubstrat for isolasjonsbarrieren.

Elektromagnetiske tilnærminger til isolasjon er mer mottakelige for magnetfeltinterferens enn optoisolatorer, og de genererer sin egen potensielle elektromagnetisk interferens (EMI) som kanskje må håndteres i produktdesignfasen. Fordelene er imidlertid høyere datahastigheter på 100 Mbit/s eller mer og lavt strømforbruk.

ADuM1250 fra Analog Devices gir et eksempel på denne typen teknologi (figur 3). Enheten er rettet mot toveis I²C-utrustning for utskiftning under drift (hot-swap-produkter) som har en datahastighet på opptil 1 Mbit/s og er klassifisert til 2500 Vrms i ett minutt pr. UL 1577. Den trekker 2,8 milliampere (mA) inngangsstrøm (IDD1) på primærsiden og 2,7 mA strøm på sekundærsiden (IDD2) ved 5 volts forsyningsspenning (VDD1 og VDD2). Merk at hver I²C-kanal (klokke og datalinjer) i ADuM1250 krever to innebygde transformatorer for å oppnå toveis retning.

Vanligvis overføres data mellom transformatorspolene ved hjelp av et kant-overgangsskjema. Ett nanosekunds korte pulser brukes til å identifisere ledende og bakkantene av datasignalet. Koding og dekoding av maskinvare er også innebygd i enheten.

Figur 3: På ADuM1250 dobbel I²C-isolator krever hver I²C-linje to separate transformatorer for å oppnå toveis retning av data og klokkeoverføring. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Kapasitiv isolasjon: Kapasitiv isolasjon oppnås, slik navnet antyder, ved hjelp av kondensatorer (figur 4). På grunn av egenskapene til kapasitetsteknologi blokkeres likespenningen (DC) av kondensatoren, mens vekselspenningen (AC) tillates å strømme fritt.

Figur 4: Kapasitiv isolasjon utnytter den kapacitive egenskapen til å blokkere vekselspenningssignaler (DC)og tillater likespenningssignaler (AC) å strømme over isolasjonsbarrieren. (Bildekilde: Texas Instruments)

Ved å bruke en høyfrekvensbærer (AC) for dataoverføring på tvers av kondensatoren, kan informasjon sendes ved hjelp av et modulasjonsskjema, for eksempel på-av-tasting/avbruddstasting (on-off keying – OOK). Tilstedeværelsen av en høyfrekvensbærer kan utgjøre en digital utgang på null (LAV), og fravær av bæreren vil bety en (HØY) (figur 5).

Figur 5: Et skjema med oversikt over på-av-tasting/avbruddstasting (on-off keying – OOK) bruker tilstedeværelsen eller fraværet av et høyfrekvent bærersignal (AC) levert gjennom isolasjonsbarrieren for å overføre et HØYT eller LAVT logisk signal. (Bildekilde: Texas Instruments)

I likhet med magnetisk isolasjon er fordelene ved kapasitiv isolasjon høye dataoverføringshastigheter (100 Mbit/s eller høyere) og lavt strømforbruk. Ulemper inkluderer større følsomhet for elektrisk feltinterferens.

Et godt eksempel på kapasitiv isolasjonsteknologi er Texas Instruments sin ISO7742 firekanals digitale isolator med isolasjon på opptil 5000 Vrms. Enheten leveres i flere konfigurasjoner avhengig av ønsket retning for dataflyt. Den har en datahastighet på 100 Mbit/s og forbruker 1,5 mA per kanal. Produkter for ISO7742 inkluderer medisinsk utstyr, strømforsyninger og industriell automatisering.

USB-strømisolasjon

Med nøye oppmerksomhet på databladene for isolasjonskomponenter, vil designere raskt innse at hver side av isolasjonskomponenten krever separate strømkilder: en for primærsiden og en for sekundærsiden (VCC1 og VCC2), hver med sin respektive grunnreferanse for å opprettholde isolasjonsbarrieren.

Hvis den aktuelle konstruksjonen har separate strømkilder, USB 5 volt på primærsiden og et separat batteri pluss jord for å drive sekundærbatteriet, er alt tilfredsstillende. Men hvis produktet er designet for en enkelt kilde, si bare en USB 5-volts inngang, hvordan leveres den sekundære isolasjonsspenningsforsyningen? En likestrøm-likestrøm-omformer (eller transformatordriver) (DC-DC) og en isolasjonstransformator gir løsningen. Likestrøm-likestrøm-omformer (DC-DC) kan brukes til å trappe opp eller ned spenningen, mens transformatoren gir galvanisk isolasjon.

Et eksempel på en slik isolert strømforsyning er vist i figur 6 ved hjelp av en Texas Instruments SN6505-driver kombinert med en Würth Elektronik 750315371-isolasjonstransformator (2500 Vrms-isolasjon). Bruk av USB-standarden på 5 volt og 500 mA-inngang til SN6505 gir vanligvis mer enn nok strøm til å drive sekundære isolasjonskretser for dataoverføring, samt muligens andre kretser som sensorer. De to diodene på den sekundære kretssiden gir retting på utgangen. Mange konstruksjoner legger til en LDO-spenningsregulator på den sekundære for renere spenningsregulering.

Figur 6: Texas Instruments SN6505-transformatordriveren kombinert med en Würth Elektronik 750315371-isolasjonstransformator gir en isolert strømbane for å drive sekundærsidekrets. (Bildekilde: Texas Instruments)

Et tilleggskriterium som kan bli viktig for designeren: ledig plass på kretskortet (PCB-et). Bruk av separate komponenter for strøm- og dataisolasjon kan forbruke verdifull eiendom på et brett. Den gode nyheten er at det finnes enheter som kombinerer både strøm- og dataoverføringsisolasjon i en enkelt pakke. Et eksempel på en slik topologi er Analog Devices sin tokanals digitale isolator ADuM5240 (figur 7).

Figur 7. Analog Devices sin tokanals digitale isolator ADuM5240 kombinerer både strøm- og dataisolasjon i én enhet for å spare plass. (Bildekilde: Analog Devices)

ADuM5240 bruker transformatorbasert magnetisk isolasjon for både strøm- og dataoverføring i en enkelt pakke for å redusere generelle krav til plass på kretskortet. ADuM5240 leverer isolasjon på 2500 Vrms i 1 minutt pr. UL 1577, samt en datahastighet på opptil 1 Mbit/s.

Oppstrøms USB-dataisolasjon

Alle eksemplene vist ovenfor forutsetter isolasjon mellom primær- og sekundærkretsen. I tilfeller der en perfiferenhet allerede er kontstuert uten dataisolasjonsmaskinvare, kan designere få isolert via USB-tilkoblingen (dvs. med kabelen). Dette skyver effektivt dataisolasjonen oppstrøms mellom USB-verten og USB-periferenheten (figur 8).

Figur 8: Hvis en periferenhet allerede er konstruert uten dataisolasjonsmaskinvare, kan designere fortsatt gi beskyttelse ved å flytte USB-dataisolasjon oppstrøms, mellom USB-verten og USB-periferenheten. (Bildekilde: DigiKey)

For å implementere denne tilnærmingen kan designere bruke Analog Devices ADuM4160 med isolasjon klassifisert til 5000 Vrms i 1 minutt. Denne løsningen bruker den samme iCoupler-teknologien som er omtalt ovenfor, men isolasjon er rettet mot USB-datatilkoblingen (D+ og D-) (figur 9). Ytterligere bruksområder for ADum4160 inkluderer isolerte USB-hubber og medisinsk utstyr.

Figur 9: Analog Devices ADuM4160 gir en USB-datalinje (D+, D-)-isolasjonsløsning som kan være nyttig der det er nødvendig for å gi isolasjon ved kabeltilkobling USB-vert-til-periferutstyr. (Bildekilde: Analog Devices)

Konstruksjonshensyn for isolasjon

Hvordan velger en designer den beste isolasjonsteknologien? Som nevnt ovenfor spiller flere faktorer inn for å velge riktig teknologi for den aktuelle jobben. Tabell 1 viser noen av disse konstruksjonskriteriene på tvers av de forskjellige typene isolasjonsteknologier. Som med enhver konstruksjon, bør det tas nøye hensyn til å forstå komponentene som brukes fullt ut. Det finnes ingen erstatning for grundig gjennomgang av datablader og prototyper med utvalgte komponenter.

Tabell 1: Det er noen viktige faktorer å vurdere når du velger en isolasjonstilnærming, men det er avgjørende at designere studerer databladet og prototypen nøye med de valgte komponentene. (Datakilde: DigiKey)

I tillegg til de som er definert i tabell 1, må det tas hensyn til andre faktorer ved utvikling av USB-baserte isolerte periferenheter. For eksempel, må det totale strømbudsjettet som kreves for den sekundære sirkusiteten beregnes. Tilstrekkelig strøm må overføres fra primærsiden til den isolerte sekundære kretsen for å levere all nødvendig strøm til ikke bare isolasjonskomponentene, men også andre enheter som sensorer, lysdioder og logiske komponenter.

Som nevnt ovenfor skal potensiell elektromagnetisk interferens (EMI) generert fra transformatoren(e) også tas i betraktning ved utslippsprøving og/eller EMI-påvirkning på andre kretser ved bruk av en elektromagnetisk isolasjonsløsning.

Konklusjon

USB fortsetter å vokse i dataoverføringshastigheter og strømkildeleveringsfunksjoner. Men når du designer produkter med USB-strøm og/eller datagrensesnitt, er det forsiktig å holde galvanisk isolasjon av data og strømkretser i tankene.

For å oppnå galvanisk isolasjon kan designere velge mellom optiske, kapasitive og elektromagnetiske tilnærminger etter å ha faktorisert flere kriterier, inkludert dataoverføringshastigheter og elektromagnetisk interferens (EMI), så vel som behov for strøm og plass på kretskort. Uansett hvilket er valgt, er det mange tilgjengelige løsninger for å hjelpe designere med å sikre både kretsens integritet og sikkerheten til konstruktøren og sluttbrukeren.