Tehnici și soluții pentru izolarea alimentării și transferului de date prin USB

Introdusă în 1996, magistrala serială universală (USB) a devenit principala metodă de conectare a perifericelor la PC-uri. Odată cu creșterea vitezei de transfer de date prin USB în ultimii 24 de ani, de la 1,5 megabiți pe secundă (Mbits/s) la peste 20 de gigabiți pe secundă (Gbits/s), producătorii de echipamente de testare și măsurare, în special, au procedat cu atenție și au lansat pe piață echipamente de testare bazate pe USB. De asemenea, pasionații de hobby-uri au profitat de omniprezența USB-ului și au dezvoltat numeroase instrumente de măsurare proprii și unice.

Cu toate acestea, există un pericol potențial care poate apărea cu utilizarea sau proiectarea echipamentelor bazate pe USB conectate la portul USB al unui PC. În timp ce un dispozitiv testat (DUT) poate fi alimentat de la o sursă de alimentare flotantă, odată ce este conectat la un PC împământat, pot apărea bucle de masă. Drept urmare, pot fi generate diferențe de potențial de masă severe care pot cauza deteriorarea circuitului sau, mai rău, vătămări corporale.

Pentru a elimina complet conexiunile cu buclă de masă, atât căile de alimentare, cât și cele de comunicare a datelor trebuie să fie izolate galvanic față de împământarea USB a PC-ului. Există mai multe opțiuni de izolare a comunicațiilor de date, în funcție de viteza de transmisie a datelor și de protocol. În plus, pot fi implementate mai multe strategii de izolare, inclusiv capacitive, optice și electromagnetice.

Acest articol definește izolarea galvanică înainte de a descrie multe dintre diferitele tehnologii de izolare USB, precum și avantajele și dezavantajele fiecăreia. Apoi va prezenta soluții de izolare din lumea reală de la Texas Instruments, Würth Elektronik, ON Semiconductor și Analog Devices și va arăta cum se aplică acestea în mod eficient.

Ce este izolarea galvanică?

În esență, izolarea galvanică previne circularea sau conducerea curentului între două sau mai multe circuite electrice separate, permițând, în același timp, trecerea energiei și/sau a informațiilor între ele.

În scopul simplificării, acest articol se va concentra pe două circuite separate, unul fiind denumit parte primară, iar celălalt parte secundară. Circuitul primar este alimentat prin USB și partajează fluxul de date bidirecțional cu un PC gazdă. Regiunea care separă circuitele se numește barieră de izolare și se alege astfel încât să reziste la tensiuni de străpungere de la sute până la mii de volți. În mod obișnuit, cele două circuite sunt separate de aer, dioxid de siliciu (SiO₂), polimidă sau alt material neconductor (Figura 1).

Figura 1: se prezintă un exemplu de izolare galvanică între intrarea USB de pe partea primară a circuitului și partea secundară. Bariera de izolare trebuie să reziste la tensiuni de la sute până la mii de volți. (Sursă imagine: DigiKey)

Transfer de date izolat

Conform definiției de mai sus, izolarea galvanică permite transferul de date sau informații între circuitele electrice separate. Dar cum se poate realiza acest lucru fără un anumit tip de material conductor între circuite? Există mai multe soluții practice la această problemă, inclusiv tehnologii optice, capacitive și electromagnetice. Fiecare dintre aceste abordări prezintă avantaje și dezavantaje, care sunt prezentate mai jos. Pentru proiectant este important ca, în momentul în care alege ce strategie va folosi, să ia în considerare vitezele de transfer de date, descărcările electrostatice (ESD), interferențele și cerințele de alimentare.

Optic: una dintre cele mai cunoscute abordări ale izolării este izolatorul optic sau optoizolatorul (sau optocuplorul). Izolarea se realizează prin utilizarea unei diode emițătoare de lumină (LED) pe partea primară a barierei de izolare și a unui tranzistor fotosensibil pe partea secundară. FOD817 de la ON Semiconductor este un bun exemplu de optoizolator (Figura 2). Datele sunt transmise folosind impulsuri de lumină prin bariera de izolare de la led, care sunt recepționate de fototranzistor într-o configurație cu colector deschis. Atunci când ledul este aprins, fotodioda va genera un flux de curent în circuitul secundar.

Având în vedere că lumina este utilizată pentru transferul de date, optoizolatorul nu este susceptibil la interferențe electromagnetice (EMI). Un dezavantaj este faptul că ratele de transfer de date pot fi lente, deoarece rata de transfer de date este o funcție a vitezei de comutare a ledului. De asemenea, optoizolatoarele tind să aibă o durată de viață mai scurtă în comparație cu alte tehnologii, din cauza degradării ledurilor în timp.

Figura 2: optoizolator - ledul emite impulsuri de lumină prin bariera de izolare, care sunt recepționate de fotodiodă și generează un flux de curent în circuitul secundar. (Sursă imagine: ON Semiconductor)

FOD817 este un dispozitiv cu un singur canal evaluat la c.a. cu rms de până la 5 kilovolți (kV) timp de un minut. Acesta conține un led infraroșu (IR) cu arseniură de galiu (GaAs) care acționează un fototranzistor din siliciu. Aplicațiile pot include regulatoare de putere și intrări logice digitale.

Izolare electromagnetică: aceasta este, probabil, cea mai veche abordare tehnologică a izolării circuitelor. Elementele fundamentale ale inducției electromagnetice sunt utilizate pentru a transfera date (și energie, după cum se va discuta mai târziu) între două bobine. Această abordare a fost îmbunătățită în mod semnificativ de-a lungul timpului de companii precum Analog Devices, cu tehnologia iCoupler. Tehnologia iCoupler înglobează bobinele transformatorului într-un circuit integrat și utilizează un substrat de polimidă pentru bariera de izolare.

Abordările electromagnetice față de izolare sunt mai sensibile la interferențele câmpurilor magnetice decât optoizolatoarele și generează propriul EMI potențial, pentru care ar putea fi necesară o anumită abordare în etapa de proiectare a produsului. Cu toate acestea, avantajele sunt vitezele de transfer de date mai mari, de 100 Mbiți/s sau mai mult, și consumul redus de energie.

ADuM1250 de la Analog Devices oferă un exemplu al acestui tip de tehnologie (Figura 3). Destinat aplicațiilor bidirecționale de izolare a datelor I²C, cum ar fi aplicațiile de înlocuire la cald, dispozitivul are o rată de transfer de date de până la 1 Mbit/s și este evaluat la 2500 volți rms pentru un minut, conform UL 1577. Acesta consumă 2,8 miliamperi (mA) pentru curentul de intrare (IDD1) pe partea primară și 2,7 mA pentru curentul de pe partea secundară (IDD2), la o tensiune de alimentare de 5 volți (VDD1 și VDD2). Rețineți că fiecare canal I²C (linii de ceas și de date) din ADuM1250 necesită două transformatoare încorporate pentru a atinge bidirecționalitatea.

În mod obișnuit, datele sunt transmise între bobinele transformatorului folosind o schemă de tranziție la margine. Impulsuri scurte, de o nanosecundă, sunt utilizate pentru a identifica marginile de început și de sfârșit ale semnalului de date. De asemenea, dispozitivul are încorporat hardware de codificare și decodificare.

Figura 3: pe izolatorul I²C dual ADuM1250, fiecare linie I²C necesită două transformatoare distincte pentru a realiza transferul bidirecțional de date și de ceas. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Izolare capacitivă: izolarea capacitivă se realizează, după cum îi spune și numele, prin utilizarea condensatoarelor (Figura 4). Datorită caracteristicilor tehnologiei capacitive, tensiunea c.c. este blocată de condensator, în timp ce tensiunea c.a. poate circula liber.

Figura 4: izolarea capacitivă utilizează caracteristica capacitivă de blocare a semnalelor de curent continuu și permite semnalelor de curent alternativ să treacă prin bariera de izolare. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Prin utilizarea unei bariere de înaltă frecvență (c.a.) pentru transferul de date prin condensator, informațiile pot fi transmise folosind o schemă de modulație cum ar fi on-off keying (OOK). Prezența unei bariere de înaltă frecvență ar constitui o ieșire digitală de zero (LOW), iar absența barierei ar însemna un unu (HIGH) (Figura 5).

Figura 5: o schemă on-off keying (OOK) utilizează prezența sau absența unui semnal purtător de înaltă frecvență (c.a.) transmis prin bariera de izolare pentru a transfera un semnal de nivel logic HIGH sau LOW. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Ca și la izolarea magnetică, avantajele izolării capacitive sunt ratele mari de transfer de date (100 Mbiți/s sau mai mult) și consumul redus de energie. Dezavantajele includ o sensibilitate mai mare la interferența câmpului electric.

Un exemplu excelent de tehnologie de izolare capacitivă este izolatorul digital ISO7742 cu patru canale de la Texas Instruments, cu o izolare de până la 5000 volți rms. Dispozitivul este disponibil în mai multe configurații, în funcție de direcția necesară a fluxului de date. Acesta are o rată de transfer de date de 100 Mbiți/s și consumă 1,5 mA pe canal. Printre aplicațiile pentru ISO7742 se numără echipamentele medicale, sursele de alimentare și automatizarea industrială.

Izolarea alimentării prin USB

Acordând o atenție deosebită fișelor tehnice ale componentelor de izolare, proiectanții își vor da seama rapid că fiecare parte a componentei de izolare necesită surse de alimentare separate: una pentru partea primară și una pentru partea secundară (VCC1 și VCC2), fiecare cu propria referință de masă respectivă pentru menținerea barierei de izolare.

Dacă proiectul avut în vedere are surse de alimentare separate, USB de 5 volți pe partea primară și o baterie separată plus masă pentru alimentarea părții secundare, atunci totul este satisfăcător. Cu toate acestea, dacă produsul este proiectat pentru o singură sursă, de exemplu, doar o intrare USB de 5 volți, atunci cum se asigură alimentarea secundară cu tensiune de izolare? Soluția este utilizarea unui convertor c.c. - c.c. (sau un driver de transformator) și a unui transformator de izolare. Convertorul c.c. - c.c. poate fi utilizat pentru a crește sau reduce tensiunea, în timp ce transformatorul asigură izolarea galvanică.

Un exemplu de o astfel de sursă de alimentare izolată este prezentat în Figura 6, utilizând un driver SN6505 de la Texas Instruments combinat cu un transformator de izolare 750315371 de la Würth Elektronik (izolare de 2500 volți rms). De obicei, utilizarea standardului USB de 5 volți și a intrării de 500 mA la SN6505 oferă o putere mai mult decât suficientă pentru a comanda circuitele de izolare de pe partea secundară pentru transferul de date, precum și, eventual, alte circuite, cum ar fi senzorii. Cele două diode de pe partea circuitului secundar asigură redresarea la ieșire. Multe modele adaugă un regulator cu cădere redusă de tensiune (LDO) pe partea secundară pentru o reglare mai curată a tensiunii.

Figura 6: driverul de transformator SN6505 Texas Instruments combinat cu un transformator de izolare 750315371 Würth Elektronik asigură o cale de alimentare izolată pentru acționarea circuitului de pe partea secundară. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Un criteriu suplimentar care ar putea deveni important pentru proiectant: spațiul disponibil pe placa de circuite imprimate (PCB). Utilizarea componentelor separate pentru izolarea energiei și a datelor poate consuma spațiu valoros pe o placă. Vestea bună este că există dispozitive care combină izolarea atât a energiei, cât și a transferului de date, într-un singur pachet. Un exemplu de astfel de topologie este izolatorul digital cu două canale ADuM5240 de la Analog Devices (Figura 7).

Figura 7. Izolatorul digital cu două canale ADuM5240 de la Analog Devices combină izolarea atât a energiei, cât și a datelor, într-un singur dispozitiv, pentru economisirea spațiului. (Sursă imagine: Analog Devices)

ADuM5240 utilizează o izolare magnetică bazată pe transformator atât pentru transmisia de energie, cât și de date, într-un singur pachet, pentru a reduce suprafața totală a plăcii cu circuite imprimate. ADuM5240 asigură o izolare de 2500 volți rms timp de 1 minut, conform UL 1577, și o viteză de transfer de date de până la 1 Mbit/s.

Izolarea datelor USB în amonte

Toate exemplele prezentate mai sus presupun o izolare între circuitul primar și cel secundar. În cazurile în care există deja un element periferic proiectat fără hardware de izolare a datelor, proiectanții pot realiza izolarea la nivelul interfeței USB (adică: la nivelul cablului). Acest lucru împinge efectiv izolarea datelor în amonte, între gazda USB și perifericul USB (Figura 8).

Figura 8: în cazul în care există deja un element periferic proiectat fără hardware de izolare a datelor, proiectanții pot asigura în continuare protecție, prin mutarea izolării datelor USB în amonte, între gazda USB și perifericul USB. (Sursă imagine: DigiKey)

Pentru a pune în aplicare această abordare, proiectanții pot utiliza ADuM4160 de la Analog Devices cu o izolare nominală de 5000 de volți rms timp de 1 minut. Această soluție utilizează aceeași tehnologie iCoupler discutată mai sus, dar izolarea vizează interfața de date USB (D+ și D-) (Figura 9). Aplicațiile suplimentare pentru ADum4160 includ hub-uri USB izolate și dispozitive medicale.

Figura 9: ADuM4160 de la Analog Devices oferă o soluție de izolare a liniei de date USB (D+, D-) care poate fi utilă în cazul în care este necesară asigurarea izolării la conexiunea cablului USB între gazdă și elementele periferice. (Sursă imagine: Analog Devices)

Considerente privind proiectarea pentru izolare

Cum alege un proiectant cea mai bună tehnologie de izolare? După cum s-a menționat mai sus, pentru selectarea tehnologiei potrivite pentru sarcina de îndeplinit intră în calcul mai mulți factori. Tabelul 1 prezintă câteva dintre aceste criterii de proiectare pentru diferitele tipuri de tehnologii de izolare. Ca în cazul oricărui proiect, trebuie să se acorde o atenție deosebită înțelegerii depline a componentelor utilizate. Nimic nu poate înlocui examinarea amănunțită a fișelor tehnice și realizarea de prototipuri cu componentele selectate.

Tabelul 1: există câțiva factori cheie care trebuie luați în considerare la alegerea unei metode de izolare, dar este esențial ca proiectanții să studieze cu atenție fișa tehnică și să realizeze prototipuri cu componentele selectate. (Sursă date: DigiKey)

În plus față de cei definiți în Tabelul 1, trebuie luați în considerare și alți factori la dezvoltarea perifericelor izolate bazate pe USB. De exemplu, trebuie calculat bugetul total de putere necesar pentru circuitul secundar. Trebuie să se transfere suficientă energie din partea primară către circuitul secundar izolat pentru a furniza toată energia necesară nu numai pentru componentele de izolare, ci și pentru orice alte dispozitive, cum ar fi senzorii, ledurile și componentele logice.

De asemenea, după cum s-a menționat mai sus, dacă se utilizează o soluție de izolare electromagnetică, trebuie să se țină seama de potențialele EMI generate de transformatoare în cadrul testelor de emisii și/sau de impactul EMI asupra altor circuite.

Concluzie

USB-ul continuă să crească în ceea ce privește ratele de transfer de date și capacitățile de furnizare a surselor de alimentare. Cu toate acestea, atunci când se proiectează produse cu interfațare USB pentru alimentare și/sau date, este prudent să se țină cont de izolarea galvanică a circuitelor de date și de alimentare.

Pentru a realiza izolarea galvanică, proiectanții pot alege între metode optice, capacitive și electromagnetice după ce iau în considerare mai multe criterii, inclusiv ratele de transfer de date și EMI, precum și cerințele de putere și de spațiu pe placă. Indiferent de opțiunea aleasă, există multe soluții disponibile care îi pot ajuta pe proiectanți să garanteze atât integritatea circuitului, cât și siguranța proiectantului și a utilizatorului final.