EUR | USD

Tekniikoita ja ratkaisuja USB-virran ja -datan erottamiseen

Kirjoittaja Doug Peters

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Vuonna 1996 julkaistusta USB-liitännästä (Universal Serial Bus) on tullut ensisijainen tapa liittää oheislaitteet tietokoneeseen. USB-datanopeudet ovat nousseet viimeisten 24 vuoden aikana 1,5 megabitistä sekunnissa (Mb/s) yli 20 gigabittiin sekunnissa (Gb/s). Varsinkin testaus- ja mittauslaitteiden valmistajat ovat huomanneet tämän ja tuoneet markkinoille USB-pohjaisia testauslaitteita. Myös harrastajat ovat hyödyntäneet USB:n yleistymistä ja kehittäneet monia omia ja ainutlaatuisia mittaustyökaluja.

Tietokoneen USB-porttiin liitettävien USB-pohjaisten laitteiden käytössä tai suunnittelussa piilee kuitenkin potentiaalinen vaara. Testattava laite (DUT) voi käyttää kelluvaa virtalähdettä, mutta kun se kytketään maadoitettuun tietokoneeseen, järjestelmään voi syntyä maasilmukoita. Tämä voi synnyttää merkittäviä maapotentiaalieroja, jotka saattavat johtaa piirin vahingoittumiseen tai pahimmassa tapauksessa henkilövammaan.

Maasilmukkaliitännät voidaan eliminoida erottamalla sekä virta- että dataliikennepolut galvaanisesti tietokoneen USB-maadoituksesta. Dataliikenteen erottamiseen on olemassa monia vaihtoehtoja datanopeudesta ja protokollasta riippuen. Lisäksi voidaan käyttää monia erotusstrategioita, esimerkkeinä kapasitiivinen, optinen ja sähkömagneettinen erotus.

Tässä artikkelissa määritellään ensin galvaaninen erotus ja sen jälkeen kuvaillaan monia erilaisia USB-erotustekniikoita sekä niiden hyötyjä ja haittoja. Sen jälkeen artikkelissa esitellään valmistajien Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor ja Analog Devices tarjoamia reaalimaailman erotusratkaisuja ja näytetään, miten niitä voidaan käyttää tehokkaasti.

Mitä tarkoittaa galvaaninen erotus?

Galvaaninen erotus estää sähkövirran tai johtavuuden kahden tai useamman erillisen sähköpiirin välillä mahdollistaen kuitenkin energian ja/tai informaation siirron niiden välillä.

Aiheen havainnollistamiseksi tässä artikkelissa tarkastellaan kahta erillistä piiriä, joihin viitataan ensiöpuolena ja toisiopuolena. Ensiöpiiri saa virran USB:n kautta ja siirtää kaksisuuntaista datavirtaa isäntätietokoneen kanssa. Piirit erottavaa aluetta kutsutaan eristyssuojukseksi, ja se valitaan niin, että se kestää satojen tai jopa tuhansien volttien läpilyöntijännitteen. Normaalisti ilma, piidioksidi (SiO2), polyimidi tai jokin muu ei-johtava materiaali erottaa nämä kaksi piiriä toisistaan (kuva 1).

Kaavio ensiöpiirin USB-tulon ja toisiopiirin välisestä galvaanisesta erotuksestaKuva 1: Kuvassa on esimerkki piirin ensiöpuolen USB-tulon ja toisiopuolen välisestä galvaanisesta erotuksesta Eristyssuojuksen täytyy kestää satojen tai jopa tuhansien volttien jännite. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Erotettu tiedonsiirto

Kuten edellä on kuvailtu, galvaaninen erotus mahdollistaa datan tai informaation siirron toisistaan erotettujen sähköpiirien välillä. Mutta miten tämä voidaan toteuttaa ilman jonkin tyyppisen johtavan materiaalin käyttöä piirien välillä? Tähän ongelmaan on olemassa monia käytännöllisiä ratkaisuja, joihin kuuluvat optiset, kapasitiiviset ja sähkömagneettiset tekniikat. Kullakin näistä menettelyistä on hyötyjä ja haittoja, ja niitä käsitellään alla. Kun suunnittelija miettii, mikä strategia kannattaa valita, päätökseen vaikuttavat tiedonsiirtonopeudet, sähköstaattinen purkaus (ESD), häiriöt ja tehovaatimukset.

Optinen: Yhtä kaikkein tunnetuimmista erotustavoista kutsutaan optoerottimeksi. Erotus aikaansaadaan käyttämällä loistediodia (ledi) eristyssuojuksen ensiöpuolella ja valoherkkää transistoria toisiopuolella. ON Semiconductor FOD817 on hyvä esimerkki optoerottimesta (kuva 2). Data siirretään ledistä eristyssuojuksen yli valoimpulsseilla. Valotransistori vastaanottaa ne toisella puolella avoimen kollektorin konfiguraatiossa. Kun ledivalo palaa, valodiodi tuottaa toisiopiiriin sähkövirran.

Koska tiedonsiirtoon käytetään valoa, optoerotin ei altistu sähkömagneettisille häiriöille (EMI). Negatiivisena puolena on se, että tiedonsiirtonopeudet voivat olla hitaita, koska tiedonsiirtonopeus riippuu ledin kytkentänopeudesta. Optoerottimien käyttöikä on myös lyhyempi muihin tekniikoihin verrattuna, koska ledi kuluu ajan myötä.

Kaavio optoerottimesta - ledi lähettää valoimpulsseja eristyssuojuksen läpiKuva 2: Optoerottimen ledi lähettää valoimpulsseja eristyssuojuksen läpi. Valodiodi ottaa vastaan valoimpulssit ja tuottaa toisiopiirissä sähkövirran. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

FOD817 on yksikanavainen laite, joka luokiteltu jopa 5 kV:n (rms) vaihtovirralle yhden minuutin ajaksi. Se koostuu galliumarsenidi (GaAs) -infrapunaledistä (IR), joka ohjaa piivalotransistoria. Sitä voidaan käyttää virtaregulaattoreissa ja digitaalisissa logiikkatuloissa.

Sähkömagneettinen erotus: Tämä on todennäköisesti vanhin teknologinen lähestymistapa piirien erotukseen. Datan (ja virran, jota käsitellään jäljempänä) siirto kahden kelan välillä perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Tätä lähestymistapaa ovat kehittäneet vuosien varrella merkittävästi sellaiset valmistajat kuten Analog Devices, joka on kehittänyt iCoupler-tekniikan. iCoupler-tekniikka toteuttaa muuntajakelat integroidulla piirillä ja käyttää eristyssuojuksessa polyimidisubstraattia.

Sähkömagneettiset erotustavat ovat herkempiä magneettikentän häiriöille kuin optoerottimet ja ne saattavat itse tuottaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), mikä täytyy ottaa huomioon tuotteen suunnitteluvaiheessa. Hyötyinä ovat kuitenkin korkeammat tiedonsiirtonopeudet (alkaen 100 Mb/s) ja alhaisempi virrankulutus.

Analog Devices ADuM1250 on esimerkki tämäntyyppisestä tekniikasta (kuva 3). Tämä komponentti on tarkoitettu kaksisuuntaisiin I2C-dataerotussovelluksiin, kuten hot-swap. Se tarjoaa tiedonsiirtonopeudeksi jopa 1 Mb/s ja se on luokiteltu jännitteelle 2500 V (rms) yhden minuutin ajaksi standardin UL 1577 mukaisesti. Sen tulovirran (IDD1) kulutus on 2,8 milliampeeria (mA) ensiöpuolella ja 2,7 mA toisiopuolella (IDD2) 5 V:n syöttöjännitteellä (VDD1 ja VDD2). Huomaa, että ADuM1250-piirin kukin I2C-kanava (kello- ja datalinja) vaatii kaksi sulautettua muuntajaa kaksisuuntaisuuden toteuttamista varten.

Data lähetetään tyypillisesti muuntajakelojen välillä reunasiirtomallia käyttämällä. Lyhyitä yhden nanosekunnin impulsseja käytetään datasignaalin etu- ja takareunan tunnistukseen. Laite sisältää myös koodaus- ja dekoodauspiirit.

Kaavio: Analog Devices ADuM1250, kaksikanavainen I2C-erotinKuva 3: Kaksikanavaisessa ADuM1250 I2C -erottimessa kumpikin I2C-linja vaatii kaksi erillistä muuntajaa kaksisuuntaista data- ja kellosiirtoa varten. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Kapasitiivinen erotus: Kapasitiivinen erotus toteutetaan käyttämällä kondensaattoreita (kuva 4). Kondensaattori estää kapasitiivisen tekniikan luonteen mukaisesti DC-jännitteen, kun taas AC-jännite saa kulkea vapaasti.

Kaavio: Kapasitiivinen erotus käyttää kapasitiivista perusominaisuutta DC-signaalien estoon Kuva 4: Kapasitiivinen erotus käyttää kapasitiivista perusominaisuutta DC-signaalien estoon ja sallii AC-signaalien kulun eristyssuojuksen läpi. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Tiedonsiirrossa voidaan käyttää sellaisia modulointitapoja kuten OOK (On-Off Keying) ja siirtää tietoja kondensaattorin ylitse korkeataajuisen kantosignaalin (AC) avulla. Korkeataajuuksinen kantosignaali tarkoittaa digitaalilähdön nollaa (LOW) ja kantosignaalin puuttuminen arvoa yksi (HIGH) (kuva 5).

Kaavio: OOK (On-Off Keying) -menetelmä käyttää korkeataajuuksista kantosignaalia (AC)Kuva 5: OOK (On-Off Keying) -menetelmä hyödyntää eristyssuojuksen läpi siirrettävän korkeataajuuksisen kantosignaalin (AC) läsnäoloa tai puuttumista logiikkatason HIGH- tai LOW-signaalin siirtoon. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kuten magneettisessa erotuksessa, kapasitiivisen erotuksen etuja ovat korkeat tiedonsiirtonopeudet (vähintään 100 Mb/s) ja alhainen virrankulutus. Huono puoli on suurempi herkkyys sähkökentän häiriöille.

Hyvä esimerkki kapasitiivisesta erotustekniikasta on Texas Instrumentsin ISO7742, nelikanavainen digitaalinen erotin, joka tarjoaa jopa 5000 V:n (rms) erotuksen. Laitetta on saatavilla erilaisina konfiguraatioina tarvittavan datavirran suunnan mukaan. Sen tiedonsiirtonopeus on 100 Mb/s ja se kuluttaa 1,5 mA kanavaa kohti. ISO7742-erotinta käytetään lääketieteellisissä laitteissa, virtalähteissä ja teollisuusautomaatiossa.

USB-virran erottaminen

Kun suunnittelijat tarkastelevat huolellisesti erotinkomponenttien teknisiä taulukoita, he huomaavat nopeasti, että erotinkomponentin kumpikin puoli edellyttää erillistä virtalähdettä: yhtä ensiöpuolelle tai toista toisiopuolelle (VCC1 ja VCC2), kummallakin oma maareferenssinsä eristyssuojauksen ylläpitämiseksi.

Jos tarkasteltavassa järjestelmässä on erilliset virtalähteet, USB:n 5 V ensiöpuolella sekä toisiopuolen virransyöttöä varten erillinen akku ja maataso, kaikki on hyvin. Jos tuote on kuitenkin suunniteltu käyttämään yhtä ainoaa virtalähdettä, esimerkiksi pelkkää 5 V:n USB-tuloa, miten erotusjännitteen toisiosyöttö toteutetaan tuolloin? DC-DC-muunnin (tai muuntajaohjain) ja erotusmuuntaja tarjoavat ratkaisun. DC-DC-muunninta voidaan käyttää jännitteen korottamiseen tai alennukseen, kun taas muuntaja takaa galvaanisen erotuksen.

Kuvassa 6 on esimerkki tällaisesta erotetusta virtalähteestä, Texas Instrumentsin SN6505-ohjain yhdistettynä Würth Elektronik 750315371-erotusmuuntajaan (erotus 2500 V rms). USB-standardin mukaisen 5 V:n ja 500 mA:n käyttö SN6505-ohjaimen tulossa tarjoaa tyypillisesti enemmän kuin riittävästi virtaa toisiopuolen erotuspiirien tiedonsiirtoon, samoin kuin muita mahdollisia piirejä kuten antureita varten. Molemmat toisiopiiripuolen diodit mahdollistavat lähdön tasasuuntauksen. Useissa tuotteissa käytetään myös LDO (Low DropOut) -jänniteregulaattoria puhtaampaa jännitteensäätöä varten.

Kaavio: Texas Instruments SN6505 -muuntajaohjain yhdistettynä Würth Elektronik 750315371 -erotusmuuntajaanKuva 6: Texas Instruments SN6505-muuntajaohjain yhdistettynä Würth Elektronik 750315371 -erotusmuuntajaan tarjoaa erotetun virtapolun toisiopuolen piirin virransyöttöön. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Lisäkriteeri, joka saattaa osoittautua suunnittelijalle tärkeäksi: piirilevyllä (PCB) käytettävissä oleva tila. Erillisten komponenttien käyttö virran ja datan erotukseen voi viedä piirilevyllä paljon arvokasta tilaa. Hyvä uutinen on, että on laitteita, joissa sekä virran- että datansiirron erotus on yhdistetty yhteen koteloon. Esimerkki tällaisesta topologiasta on Analog Devices ADuM5240, kaksikanavainen digitaalinen erotin (kuva 7).

Kaavio: Analog Devices ADuM5240, kaksikanavainen digitaalinen erotinKuva 7. Analog Devices ADuM5240, kaksikanavainen digitaalinen erotin, joka yhdistää virran ja datan erotuksen yhteen laitteeseen tilan säästämiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADuM5240 käyttää muuntajapohjaista magneettista erotusta sekä virran että datan siirtoon yhdessä kotelossa piirilevyn tilantarvevaatimusten pienentämiseksi. ADuM5240 tarjoaa 2500 V:n (rms) erotuksen 1 minuutin ajan standardin UL 1577 mukaisesti ja enintään 1 Mb/s tiedonsiirtonopeuden.

USB-datan erotus ylempänä

Kaikissa yllä mainituissa esimerkeissä erotuksen oletetaan tapahtuvan ensiö- ja toisiopiirin välissä. Tapauksissa, joissa oheislaite on jo suunniteltu mutta ilman laitteistoa datan erotukseen, suunnittelijat voivat toteuttaa erotuksen USB-rajapinnassa (eli kaapelissa). Tämä käytännössä siirtää datan erotusta ylemmäksi USB-isännän ja USB-oheislaitteen (kuva 8) väliin.

Kaavio: USB-datan erotuksen siirtäminen ylemmäksi USB-isännän ja USB-oheislaitteen väliinKuva 8: Jos oheislaite on jo suunniteltu mutta ilman laitteistoa datan erotukseen, suunnittelijat voivat silti lisätä suojauksen siirtämällä USB-datan erotusta ylemmäksi USB-isännän ja USB-oheislaitteen väliin. (Kuvan lähde: Digi-Key Electronics)

Suunnittelijat voivat toteuttaa tämän käyttämällä Analog Devices ADuM4160 -piiriä, joka tarjoaa 5000 V:n (rms) erotuksen 1 minuutin ajan. Tämä ratkaisu hyödyntää samaa iCoupler-tekniikkaa mistä puhuttiin ylempänä, mutta erotus kohdennetaan USB-datarajapintaan (D+ ja D-) (kuva 9). ADum4160-laitetta voidaan käyttää myös erotetuissa USB-keskittimissä ja lääketieteellisissä laitteissa.

Kaavio: Analog Devices ADuM4160Kuva 9: Analog Devices ADuM4160 tarjoaa erotusratkaisun USB-datalinjaan (D+, D-). Tämä voi olla käytännöllinen, kun USB-isännän ja -oheislaitteen väliseen kaapeliliitäntään tarvitaan erotus. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Erotuksen suunnittelua koskevia seikkoja

Miten suunnittelija valitsee parhaan mahdollisen erotustekniikan? Kuten edellä on mainittu, tehtävään sopivan tekniikan valintaan vaikuttavia tekijöitä on monia. Taulukko 1 esittää joitakin näistä suunnittelukriteereistä erityyppisissä erotustekniikoissa. Kuten jokaisessa suunnittelupäätöksessä, suunnittelijan on perehdyttävä huolella käytettävien komponenttien ymmärtämiseen. Mikään ei korvaa teknisten tietojen tarkastelua ja prototyyppitestausta valituilla komponenteilla.

Taulukko tärkeimmistä tekijöistä, jotka on otettava huomioon erotustapaa valittaessaTaulukko 1: On eräitä päätekijöitä, jotka on otettava huomioon erotustapaa valittaessa. On myös erittäin tärkeää, että suunnittelijat tutkivat huolellisesti valittujen komponenttien tekniset tiedot ja testaavat niitä prototyypeissä. (Tiedonlähde: Digi-Key Electronics)

Taulukossa 1 mainittujen tekijöiden ohella USB-pohjaisten erotettujen oheislaitteiden suunnittelussa on otettava huomioon myös muita seikkoja. Esimerkiksi toisiopiirille on laskettava tarvittavan tehon kokonaisbudjetti. Ensiöpuolelta on siirrettävä riittävästi virtaa erotettuun toisiopiiriin, jotta virransyöttö on riittävää erotuskomponenttien ohella myös kaikkiin muihin laitteisiin, esimerkkinä anturit, ledit ja logiikkakomponentit.

Kuten edellä on mainittu, sähkömagneettista erotusratkaisua käytettäessä muuntajien mahdollisesti tuottamat EMI-häiriöt on otettava huomioon emissiotestauksessa ja/tai EMI-vaikutuksessa muihin piireihin.

Yhteenveto

USB-tiedonsiirtonopeudet ja -virransyöttökyky jatkaa kasvuaan. USB-virta- ja/tai -tiedonsiirtoliitäntää käyttäviä tuotteita suunniteltaessa on viisasta pitää päällimmäisenä mielessä data- ja virtapiirin galvaaninen erotus.

Suunnittelijat voivat valita galvaanisen erotuksen toteuttamiseen optisen, kapasitiivisen tai sähkömagneettisen menetelmän huomioituaan ensin monenlaisia kriteerejä, esimerkiksi tiedonsiirtonopeudet ja EMI-häiriöt sekä virtavaatimukset ja piirilevyn tilavaatimukset. Suunnittelijoiden avuksi on saatavilla valinnasta riippumatta monia ratkaisua, joilla taataan piirin eheys sekä suunnittelijan ja loppukäyttäjän turvallisuus.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

Doug Peters

Doug Peters is the Founder of Bluebird Labs, LLC in Eden Prairie, MN. He has a B.S. degree in Electrical Engineering from Northeastern University in Boston, MA and an M.S. certificate in Applied Statistics, from Penn State University. He worked for 10 years at GE in Telematics and worked at NeXT computer as a systems engineer many, many years ago. You can reach him at dpeters@bluebird-labs.com.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa