Při samotném používání nebo při vývoji USB zařízení, které se připojuje do portu počítače, může vzniknout nebezpečí v podobě rozdílu potenciálů. Testované zařízení (Device under test - DUT) může být napájeno z plovoucího napájecího zdroje, kdežto počítač je napájen ze zdroje uzemněného. Po vzájemném propojení dochází také ke spojení různých zemních rovin, a to může vést až ke zničení jak zařízení, tak i USB portu počítače. Z vlastní zkušenosti to mohu bohužel potvrdit.
Jedinou cestou, jak se tomuto nebezpečí vyhnout, je galvanicky izolovat napájecí i datové komunikační cesty od uzemnění USB počítače. Existuje několik možností galvanické izolace datové komunikace v závislosti na datové rychlosti a protokolu. Jedná se o kapacitní, optické a elektromagnetické metody galvanické izolace, které lze vhodně navzájem kombinovat.
Tento článek nás provede různými možnostmi galvanické izolace USB dat a napájení a poté nám představí praktické řešení od společností Texas Instruments , Würth Electronik , ON Semiconductor a Analog Devices.
Co je to galvanická izolace?
Galvanická izolace brání toku proudu mezi dvěma nebo více samostatnými elektrickými obvody, přičemž stále umožňuje průchod energie nebo informací mezi nimi.
Pro zjednodušení této problematiky se zaměříme na dva samostatné obvody, označované jako primární a sekundární. 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. Většinou se pro izolační bariéru volí vzduch, oxid křemičitý (SiO 2), polyimid nebo jiný nevodivý materiál (obrázek 1), který odděluje primární a sekundární obvod.
Obrázek 1: Příklad galvanického oddělení mezi vstupem USB na primární straně obvodu a sekundární straně. Izolační bariéra musí vydržet napětí stovky až tisíce voltů. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Galvanicky izolovaný přenos dat
Jak je definováno výše, galvanické oddělení umožňuje přenos dat nebo informací mezi oddělenými elektrickými obvody. Jak je toho ale možné dosáhnout bez vodivého materiálu mezi jednotlivými obvody? Existuje několik možností řešení tohoto problému, a to optické, kapacitní a elektromagnetické. Níže jsou uvedeny výhody a nevýhody každého z těchto přístupů. Jakou strategii použít, je závislé na datové rychlosti, odolnosti vůči elektrostatickému výboji (ESD) a požadavků na napájení.
Optická galvanická izolace: Jedním z nejznámějších přístupů galvanické izolace je použití optočlenu. Izolace se dosahuje pomocí LED diody na primární straně izolační bariéry a fotocitlivého tranzistoru na sekundární straně. Dobrým příkladem je optočlen FOD817 od společnosti ON Semiconductor (obrázek 2). Data jsou přenášena pomocí světelných pulzů přes LED diodu přes izolační bariéru do přijímací strany v podobě fototranzistoru s otevřeným kolektorem.
Vzhledem k tomu, že se k přenosu dat se používá světlo, není optočlen citlivý na elektromagnetické rušení (EMI). Na druhou stranu mohou být rychlosti přenosu dat pomalé, protože rychlost přenosu dat je přímo závislé na spínací rychlosti LED diody. Optočleny také mají tendenci mít kratší životnost ve srovnání s jinými technologiemi kvůli degradaci LED v průběhu času.
Obrázek 2: Optočlen - LED dioda vydává světelné impulsy přes izolační bariéru, které jsou přijímány fototranzistorem s otevřeným kolektorem na sekundární straně. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)
FOD817 je jednokanálová součástka, která odolá až 5 kV rms AC po dobu jedné minuty. Obsahuje infračervenou (IR) LED diodu arzenidu gália (GaAs) na primární straně a křemíkový fototranzistor na straně sekundární. Je vhodný pro galvanické oddělení digitálních logických vstupů.
Elektromagnetická galvanická izolace: Toto je možná nejstarší technický přístup galvanické izolace obvodů. Elektromagnetická indukce se používá k přenosu dat i výkonu mezi dvěma cívkami. Tato metoda byla v průběhu času významně vylepšena společností Analog Devices s její technologií iCoupler. Technologie iCoupler je schopna integrovat transformátorové cívky přímo do integrovaného obvodu a pro izolační bariéru používá polyimidový substrát.
Elektromagnetická metoda je náchylnější k interferenci s magnetickým polem než řešení s optočleny. Navíc jsou samy zdrojem elektromagnetického rušení EMI, které je nutné řešit již ve fázi návrhu produktu. Výhodou jsou však vyšší datové rychlosti 100 Mb / s i více a velmi nízká spotřeba energie.
Typickým příkladem elektromagnetické izolace je ADuM1250 od společnosti Analog Devices (obrázek 3). Je přímo určen pro galvanické oddělení obousměrné komunikace na sběrnici I2C. Je schopen zvládnout rychlost dat až 1 Mbit / s a je dimenzován na odolnost 2,5 kV rms po dobu jedné minuty. Jeho spotřeba na primární straně (IDD1) činí 2,8 mA a 2,7 mA na sekundární straně (IDD2) při napájecím napětí 5 V (VDD1 a VDD2). Každý kanál I2C (hodiny i datová cesta) v ADuM1250 vyžaduje dva vestavěné transformátory, aby bylo dosaženo obousměrnosti.
Data se obvykle přenášejí mezi cívkami transformátoru pomocí velmi krátkých impulsů (edge transition scheme). To znamená, že každý nanosekundový impuls odpovídá náběžné nebo sestupné hraně datového signálu. Proto je součástí elektromagnetického izolátoru také hardware pro kódování a dekódování.
Obrázek 3: Duální I2C izolátor ADuM1250 obsahuje dva transformátory u každého kanálu pro dosažení obousměrného datového přenos včetně hodin. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)
Kapacitní galvanická izolace: Kapacitní izolace je dosažena, jak naznačuje její název, použitím kondenzátorů (obrázek 4). Kondenzátory blokují stejnosměrné napětí, zatímco střídavé napětí může volně proudit.
Obrázek 4: Kapacitní izolace využívá kondenzátory pro blokování stejnosměrných signálů a umožnují tok střídavých signálů přes izolační bariéru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Vysokofrekvenční nosná (high-frequency carrier) se používá pro přenos dat přes kondenzátor. Informace lze předávat pomocí modulačního schématu jako je on-off keying (OOK). Přítomnost vysokofrekvenční nosné představuje logickou úroveň nula (LOW) a absence nosné znamená logickou úroveň jedna (HIGH) (obrázek 5).
Obrázek 5: On-off keying (OOK) využívá přítomnost nebo nepřítomnost signálu vysokofrekvenční nosné k přenosu signálu HIGH nebo LOW přes izolační bariéru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Stejně jako u elektromagnetická izolace je výhodou kapacitní izolace vysoká přenosová rychlost dat (100 Mb / s i více ) a velmi nízká spotřeba energie. Nevýhodou je větší náchylnost k rušení elektrickým polem.
Příkladem kapacitní galvanické izolace je čtyřkanálový digitální izolátor ISO7742 od společnosti Texas Instruments, který je schopen odolat až 5 kV rms po dobu jedné minuty. Izolátor se dodává v několika konfiguracích v závislosti na požadovaném směru toku dat. Je schopen izolovat datový tok až 100 Mbits / s a spotřebovává 1,5 mA na kanál. Izolátor ISO7742 je vhodný pro lékařská zařízení, napájecí zdroje a průmyslovou automatizaci.
Galvanické oddělení napájení USB
Každá strana izolační členu vyžaduje samostatný zdroj energie. Jeden pro primární stranu a druhý pro sekundární stranu (VCC1 a VCC2). Pokud uvažovaný design má 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 jen s jedním zdrojem, například je zařízení napájeno pouze 5 V z počítače, jak se zajistí napájení sekundární napětí? Řešení je v podobě měniče DC-DC a izolačního transformátoru. Měnič DC-DC lze použít ke zvýšení nebo snížení napětí, zatímco transformátor zajišťuje galvanické oddělení.
Příklad takového izolovaného napájecího zdroje je znázorněn na obrázku 6. Jedná se o kombinaci driveru SN6505 od Texas Instruments a izolačního transformátoru 750315371 od Würth Elektronik, s odolností do 2,5 kV rms. Standard USB používá napětí 5 V a proud až 500 mA. Díky tomu je schopen driver SN6505 poskytovat dostatek energie pro obvody sekundární strany. Dvě diody na straně sekundárního obvodu zajišťují usměrnění na výstupu. Někdy se na sekundární straně připojuje low dropout regulátor (LDO) pro čistší výstupní napětí.
Obrázek 6: Driver SN6505 v kombinaci s izolačním transformátorem 750315371 od Würth Elektronik poskytuje galvanické oddělen napájení pro sekundární stranu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Další důležitým kritériem je dostupné místo na desce. Použitím samostatných komponent pro izolaci napájení a dat zabere velkou plochu. Existují však součástky, které kombinují izolaci napájení i přenosu dat v jednom pouzdru. Příkladem je dvoukanálový digitální izolátor ADuM5240 od Analog Devices (obrázek 7).
Obrázek 7. Dvoukanálový digitální izolátor ADuM5240 kombinuje galvanické oddělení napájení i dat v jednom pouzdře, a tím šetří drahocenné místo na desce. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
ADuM5240 využívá transformátorové oddělení pro napájení i data v jediném pouzdře. ADuM5240 poskytuje izolaci 2,5 kV rms po dobu 1 minuty a datovou rychlost až 1 Mbit / s.
USB oddělení přímo na kabelu
Všechny výše uvedené příklady předpokládají izolaci mezi primárním a sekundárním obvodem. Co dělat, když potřebujeme galvanicky oddělit zařízení, které je již navrženo bez izolace. Proto existuje možnost oddělení přímo na kabelu (obrázek 8).
Obrázek 8: Pokud již existuje periferní zařízení navržené bez galvanického oddělení, lze řešit toto oddělení přímo na kabelu USB. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
K implementaci lze použít kompletní izolátor ADuM4160 s izolací dimenzovanou na 5 kV rms po dobu 1 minuty. Toto řešení používá stejnou technologii jako iCoupler popsanou výše, ale izolace je zaměřena na datové rozhraní USB (D + a D-) (obrázek 9). Tento izolátor lze využít například pro izolované rozbočovače USB a lékařské přístroje.
Obrázek 9: ADuM4160 od Analog Devices poskytuje galvanické oddělení datové linky USB (D +, D-) tam, kde je nutné řešit oddělní dodatečně – na kabelu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Na co si dát pozor při návrhu?
Jak si vybrat nejlepší izolační technologii? Jak již bylo zmíněno výše, při výběru správného přístupu pro danou aplikaci hraje roli několik faktorů. Tabulka 1 ukazuje několik kritérií napříč různými typy izolačních technologií.
Tabulka 1: Při výběru typu izolační technologie je třeba vzít v úvahu několik klíčových faktorů. Je však důležité pečlivě prostudovat datové listy jednotlivých komponent. (Zdroj dat: Digi-Key Electronics)
Kromě doporučení dle tabulky 1 dobré vzít v úvahu i další faktory. Například musí být vypočítán celková energii pro sekundární stranu. Musí být převeden dostatečný výkon z primární strany do izolovaného sekundárního obvodu, aby zbyla energie i pro napájení ostatních obvodů, nejen izolační části. Jak již bylo uvedeno výše, při použití elektromagnetické izolace musí být při testování zohledněno potenciální rušení EMI generované z transformátoru.
Závěr
USB se neustále vyvíjí a roste přenosová rychlost a dodávaná energie. Při vývoji produktů USB je rozumné mít na paměti galvanické oddělení datových a napájecích obvodů. K dosažení galvanické izolace si lze vybrat mezi optickým, kapacitním a elektromagnetickým řešením. Pro volbu daného řešení se musí zohlednit více faktorů. Mezi ně patří přenosová rychlost, elektromagnetické rušení, výkon a velikost zabraného prostoru na desce.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Doug Peters.
