HUF | EUR | USD

Technikák és megoldások az USB tápellátás és az adatok elválasztásához

By Doug Peters

Contributed By Digi-Key's North American Editors

Az 1996-ban bevezetett univerzális soros busz (USB) a perifériák PC-khez való csatlakoztatásának vezető módszerévé vált. Mivel az USB adatátviteli sebessége az elmúlt 24 évben 1,5 Mbits/s-ról több mint 20 Gbits/s-ra nőtt, különösen a teszt- és mérésügyi gyártók figyeltek fel erre és USB-alapú tesztberendezésekkel léptek piacra. A hobbisták is kihasználták, hogy az USB mindenütt jelen van és számos saját, egyedi mérőeszközt fejlesztettek ki.

A számítógép USB-portjához csatlakoztatott USB-alapú berendezések használata vagy tervezése azonban potenciális veszélyt rejt magában. Bár a tesztelt eszköz (DUT) táplálása történhet úgynevezett lebegő tápegységről, amint földelt számítógéphez csatlakozik, földhurok jöhet létre. Ennek eredményeként súlyos földpotenciál-különbségek keletkezhetnek, amelyek áramköri károkat, vagy rosszabb esetben személyi sérüléseket okozhatnak.

A földhurok-kapcsolatok kiküszöbölése érdekében mind a tápellátási, mind az adatkommunikációs útvonalakat galvanikusan el kell különíteni a számítógép USB földelésétől. Az adatkommunikáció elválasztására több lehetőség is van az adatátviteli sebességtől és a protokolltól függően. Ezenkívül a kapacitív, az optikai és az elektromágneses elválasztást is beleértve többféle elválasztási stratégia is alkalmazható.

Ez a cikk meghatározza a galvanikus elválasztás fogalmát, majd ismerteti a különböző USB-elválasztási technológiákat és azok előnyeit, illetve hátrányait. Ezután bemutatja a Texas Instruments, a Würth Electronik, az ON Semiconductor és az Analog Devices valós elválasztási megoldásait, valamint azok hatékony alkalmazását.

Mi az a galvanikus elválasztás?

A galvanikus elválasztás lényege, hogy megakadályozza az áram folyását vagy a vezetést két vagy több különálló elektromos áramkör között, miközben az energia és/vagy az információ áthaladását továbbra is lehetővé teszi közöttük.

Az egyszerűsítés érdekében ez a cikk két külön áramkörre összpontosít, amelyeket primer és szekunder oldalnak nevezünk. A primer áramkör USB tápellátású és kétirányú adatáramlást biztosít a host PC-vel. Az áramköröket elválasztó területet izolációs gátnak nevezik és úgy választják ki, hogy ellenálljon a több száz és több ezer volt közötti átütési feszültségeknek. A két áramkört általában levegő, szilícium-dioxid (SiO2), poliimid vagy más nem vezető anyag választja el (1. ábra).

A galvanikus elválasztás diagramja a primer oldalon levő USB bemenet és a szekunder oldal között.1. ábra: Példa látható az áramkör primer oldalán lévő USB-bemenet és a szekunder oldal közötti galvanikus elválasztásra. Az izolációs gátnak több száz vagy több ezer voltos feszültséget kell elviselnie. (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

Elválasztott adatátvitel

A fenti meghatározás szerint a galvanikus elválasztás lehetővé teszi az adat- vagy információátvitelt az elválasztott elektromos áramkörök között. De hogyan lehet ezt elérni úgy, hogy nincs valamilyen vezető anyag az áramkörök között? Erre a problémára számos gyakorlati megoldás létezik, többek között optikai, kapacitív és elektromágneses technológiák. Mindegyik megközelítésnek megvannak az alábbiakban ismertetett előnyei és hátrányai. A tervező számára az adatátviteli sebesség, az elektrosztatikus kisülés (ESD), az interferencia és az energiaigény figyelembe vétele mind szerepet játszik, amikor eldönti, hogy melyik stratégiát használja.

Optikai: A leválasztás egyik legismertebb megközelítése az optikai leválasztó vagy optoizolátor (vagy optocsatoló). Az elválasztás az izolációs gát primer oldalán egy fénykibocsátó dióda (LED), a szekunder oldalán pedig egy fényérzékeny tranzisztor alkalmazásával valósul meg. Az ON Semiconductor FOD817 jelű terméke jó példa az optoizolátorra (2. ábra). Az adatátvitel a LED-ről az izolációs gáton keresztül érkező fényimpulzusok segítségével történik, amelyeket a fototranzisztor nyitott kollektoros konfigurációban fogad. Amikor a LED világít, a fotodióda áramot generál a szekunder áramkörben.

Mivel az adatátvitelhez fényt használnak, az optoizolátor nem érzékeny az elektromágneses interferenciára (EMI). Negatívum, hogy az adatátviteli sebesség lassú lehet, mivel az adatátviteli sebesség a LED kapcsolási sebességének függvénye. Emellett az optoizolátorok élettartama más technológiákhoz képest általában rövidebb a LED-ek idővel történő leépülése miatt.

Az optoizolátor diagramja - a LED fényimpulzusokat bocsát ki az izolációs gáton keresztül2. ábra: Optoizolátor - a LED fényimpulzusokat bocsát ki a szigetelőgáton keresztül, amelyeket a fotodióda fogad és áramot generál a szekunder áramkörben. (A kép forrása: ON Semiconductor)

Az FOD817 egy egycsatornás eszköz, amely egy percig 5 kV effektív váltakozó áramú feszültség elviselésére képes. Egy gallium-arzenid (GaAs) infravörös (IR) LED-et tartalmaz, amely egy szilícium fototranzisztort vezérel. Egyebek mellett teljesítményszabályozókban és digitális logikai bemeneteken alkalmazható.

Elektromágneses elválasztás: Ez talán a legrégebbi technológiai megközelítés az áramkörök elválasztására. Az elektromágneses indukció alapján történik az adatok (és az energia, lásd később) két tekercs közötti átvitele. Ezt a megközelítést idővel jelentősen továbbfejlesztették egyes vállalatok, például az Analog Devices az iCoupler technológiájával. Az iCoupler technológia a transzformátor tekercseit egy integrált áramkörbe ágyazza, és poliimid hordozót használ izolációs gátként.

Az elválasztás elektromágneses megközelítései érzékenyebbek a mágneses tér interferenciájára, mint az optoizolátorok, és saját potenciális EMI-t hoznak létre, amelyet a termék tervezési szakaszában kell kezelni. Előnyük azonban a nagyobb, 100 Mbits/s vagy még magasabb adatátviteli sebesség és az alacsony energiafogyasztás.

Az Analog Devices ADuM1250 jelű terméke az ilyen típusú technológiára mutat példát (3. ábra). A kétirányú I2C adatelválasztási alkalmazásokat, például hot-swap alkalmazásokat célzó eszköz akár 1 Mbit/s adatátviteli sebességre és az UL 1577 szabvány szerint egy percig 2500 V effektív váltakozó áramú feszültség elviselésére képes. Az áramfelvétel 2,8 milliamper (mA) a primer oldalon (IDD1) és 2,7 mA a szekunder oldalon (IDD2) 5 V tápfeszültség mellett (VDD1 és VDD2). Vegyük figyelembe, hogy az ADuM1250 minden egyes I2C csatornája (órajel- és adatvonalak) két beágyazott transzformátort igényel a kétirányúság eléréséhez.

Az adatok átvitele a transzformátor tekercsei között jellemzően egy élátmenet séma használatával történik. Rövid, egy nanoszekundumos impulzusokat használnak az adatjel fel-és lefutó éleinek azonosítására. Az eszköz beépített kódoló és dekódoló hardvert is tartalmaz.

Az Analog Devices ADuM1250 kettős I2C elválasztójának diagramja3. ábra: Az ADuM1250 kettős I2C elválasztón minden egyes I2C vonal két külön transzformátort igényel a kétirányú adat- és órajelátvitel megvalósításához. (A kép forrása: Analog Devices, Inc.)

Kapacitív elválasztás: A kapacitív elválasztás, ahogy a neve is mutatja, kondenzátorok használatával valósul meg (4. ábra). A kapacitív technológia jellemzői miatt az egyenfeszültséget a kondenzátor blokkolja, míg a váltakozó feszültség szabadon áthaladhat.

Az egyenáramú jeleket blokkoló kapacitív jelleget kihasználó kapacitív elválasztás diagramja 4. ábra: A kapacitív elválasztás kihasználja a kapacitív jelleget, amely blokkolja az egyenáramú jeleket és lehetővé teszi, hogy a váltakozó áramú jelek áthaladjanak az izolációs gáton. (A kép forrása: Texas Instruments)

A kondenzátoron keresztüli adatátvitelhez nagyfrekvenciás vivőt (AC) használva az információ modulációval továbbítható, ilyen például a be-ki billentyűzés (on-off keying, OOK). A nagyfrekvenciás vivő jelenléte 0 (LOW), hiánya pedig 1 (HIGH) digitális kimenetet képezhet (5. ábra).

A nagyfrekvenciás vivőjelet (AC) használó be-ki billentyűzés (on-off keying, OOK) séma diagramja5. ábra: A be-ki billentyűzés (on-off keying, OOK) séma a nagyfrekvenciás vivőjel (AC) jelenlétét vagy hiányát használja az izolációs gáton keresztül továbbított logikai szintű HIGH vagy LOW jel átvitelére. (A kép forrása: Texas Instruments)

A mágneses elválasztáshoz hasonlóan a kapacitív elválasztás előnyei is a nagy (100 Mbits/s vagy magasabb adatátviteli sebesség) és az alacsony energiafogyasztás. Hátrányai közé tartozik az elektromos tér interferenciájára való nagyobb érzékenység.

A kapacitív elválasztási technológia nagyszerű példája a Texas Instruments ISO7742 típusú négycsatornás digitális elválasztója, amely akár 5000 V effektív feszültség elválasztására képes. Az eszköz többféle konfigurációban kapható az adatáramlás kívánt irányától függően. Adatátviteli sebessége 100 Mbits/s és csatornánként 1,5 mA-t fogyaszt. Az ISO7742 alkalmazási területei közé tartoznak az orvosi berendezések, a tápegységek és az ipari automatizálás.

Az USB tápellátás elválasztása

Ha a tervezők figyelmesen tanulmányozzák az elválasztó alkatrészek adatlapjait, gyorsan rájönnek, hogy az elválasztó alkatrész mindkét oldala külön áramforrást igényel: egyet a primer oldal és egyet a szekunder oldal (VCC1 és VCC2), mindkettőt saját földreferenciával az izolációs gát fenntartásához.

Ha a vizsgált konstrukció külön áramforrásokkal rendelkezik, USB 5 V-tal a primer oldalon és egy külön akkumulátor plusz földelés a szekunder oldal áramellátáshoz, akkor minden rendben van. Ha azonban a terméket egyetlen áramforrásra tervezték, mondjuk csak egy 5 V-os USB bemenetre, akkor hogyan történik a szekunder oldal elválasztott feszültségellátása? A megoldást egy DC-DC átalakító (vagy transzformátor meghajtó) és egy leválasztó transzformátor biztosítja. A DC-DC átalakítóval a feszültséget növelni vagy csökkenteni lehet, míg a transzformátor biztosítja a galvanikus elválasztást.

A 6. ábrán egy ilyen elválasztott tápegység példája látható, amely egy Texas Instruments SN6505 meghajtót és egy Würth Elektronik 750315371 leválasztó transzformátort (2500 V effektív feszültségű elválasztás) használ. A szabványos 5 V-os és 500 mA-es USB-bemenet használatával az SN6505-ön általában több mint elegendő energiát biztosít az adatátvitelhez szükséges szekunder oldali elválasztó áramkörök, valamint esetleges más áramkörök, például érzékelők meghajtásához. A szekunder áramköri oldalon lévő két dióda egyenirányítást biztosít a kimeneten. Sok kialakítás a tisztább feszültségszabályozás érdekében egy alacsony feszültségesésű (LDO) feszültségszabályozóval egészíti ki a szekunder oldalt.

A Texas Instruments SN6505 transzformátor-meghajtó és a Würth Elektronik 750315371 leválasztó transzformátor kombinációjának diagramja6. ábra: A Texas Instruments SN6505 transzformátor-meghajtó egy Würth Elektronik 750315371 leválasztó transzformátorral kombinálva elválasztott tápellátást biztosít a szekunder oldali áramkörök meghajtásához. (A kép forrása: Texas Instruments)

Egy további kritérium, amely fontos lehet a tervező számára: a nyomtatott áramköri lapon (PCB) rendelkezésre álló hely. A tápellátáshoz és az adatelkülönítéshez különálló alkatrészek használata értékes területet foglalhat el a lapon. A jó hír az, hogy vannak olyan eszközök, amelyek egyetlen tokban egyesítik a tápellátás és az adatátviteli elválasztását. Ilyen topológiára példa az Analog Devices ADuM5240 kétcsatornás digitális elválasztója (7. ábra).

Az Analog Devices ADuM5240 kétcsatornás digitális elválasztójának diagramja7. ábra. Az Analog Devices ADuM5240 kétcsatornás digitális elválasztója a helytakarékosság érdekében egy eszközben egyesíti a tápellátás és az adatátvitel elválasztását. (A kép forrása: Analog Devices)

Az ADuM5240 transzformátor alapú mágneses elválasztást használ mind a tápellátáshoz, mind az adatátvitelhez egyetlen tokban, a NYÁK teljes területigényének csökkentése céljából. Az ADuM5240 az UL 1577 szabvány szerint 1 percig 2500 V effektív feszültségű elválasztást és akár 1 Mbit/s adatátviteli sebességet biztosít.

Upstream USB adatelválasztás

A fenti példák mindegyike a primer és a szekunder áramkör közötti elválasztást feltételezi. Azokban az esetekben, amikor már létezik az adatelválasztó hardver nélkül megtervezett periféria, a tervezők az USB-interfésszel (azaz a kábellel) végezhetik el az elválasztást. Ez gyakorlatilag az adatelválasztást az USB-host és az USB-periféria között felfelé tolja el (8. ábra).

Az USB-adatelválasztás USB-gazda és USB-perifériák között felfelé történő eltolásának diagramja8. ábra: Ha már létezik az adatelválasztó hardver nélkül megtervezett periféria, a tervezők még mindig megvalósíthatják a védelmet nyújthatnak az USB-adatelválasztás felfelé, az USB-gazda és az USB-periféria közé történő áthelyezésével. (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

E megközelítés megvalósításához a tervezők használhatják az Analog Device ADuM4160 készülékét, amely 1 percig 5000 V effektív váltakozó áramú feszültség elválasztására képes. Ez a megoldás ugyanazt az iCoupler technológiát használja, mint a fentebb tárgyalt, de az elválasztás az USB adatinterfészre (D+ és D-) irányul (9. ábra). Az ADum4160 további alkalmazási területei közé tartoznak a szigetelt USB hubok és az orvosi eszközök.

Az Analog Devices ADuM4160 jelű termékének diagramja9. ábra: Az Analog Devices ADuM4160 jelű eszköze USB adatvonal (D+, D-) elválasztási megoldást kínál, amely ott lehet hasznos, ahol az USB host és a periféria közötti kábel csatlakoztatásánál elválasztást kell biztosítani. (A kép forrása: Analog Devices)

Tervezési megfontolások az elválasztáshoz

Hogyan választja ki egy tervező a legjobb elválasztási technológiát? Amint fentebb említettük, több tényező is szerepet játszik az adott feladathoz megfelelő technológia kiválasztásában. Az 1. táblázat néhány ilyen tervezési kritériumot mutat be a különböző típusú elválasztási technológiák esetében. Mint minden tervezésnél, itt is mindent alaposan át kell gondolni a felhasznált alkatrészek teljes megértése érdekében. Az adatlapok alapos áttekintése és a kiválasztott alkatrészekkel történő prototípus-készítés nem helyettesíthető.

Az elválasztási megoldás kiválasztásakor figyelembe veendő kulcsfontosságú tényezők táblázata1. táblázat: Az elválasztási megoldás kiválasztásakor figyelembe kell venni néhány kulcsfontosságú tényezőt, de kritikus fontosságú, hogy a tervezők alaposan tanulmányozzák az adatlapot és a kiválasztott alkatrészekkel prototípust készítsenek. (Az adatok forrása: Digi-Key Electronics)

Az 1. táblázatban meghatározottakon kívül más tényezőket is figyelembe kell venni az USB-alapú elválasztott perifériák kifejlesztésekor. Például ki kell számítani a szekunder áramkörhöz szükséges teljes teljesítményigényt. A primer oldalról elegendő teljesítményt kell átvinni az elválasztott szekunder áramkörbe, hogy az összes szükséges tápellátást biztosítani lehessen nemcsak az elválasztó alkatrészek, hanem minden más eszköz, például érzékelők, LED-ek és logikai alkatrészek számára is.

Továbbá, mint fentebb említettük, elektromágneses elválasztási megoldás használata esetén a transzformátor(ok) által generált potenciális EMI-t is figyelembe kell venni a kibocsátási tesztekben és/vagy az egyéb áramkörökre gyakorolt EMI-hatást illetően.

Összegzés

Az USB tovább fejlődik az adatátviteli sebesség és az áramforrás-biztosítási képességek terén. Az USB táp- és/vagy adatcsatlakozással rendelkező termékek tervezésekor azonban célszerű az adat- és tápáramkörök galvanikus elválasztását szem előtt tartani.

A galvanikus elválasztás eléréséhez a tervezők több kritérium, többek között az adatátviteli sebesség és az EMI, valamint az energia- és helyigény figyelembe vétele után választhatnak az optikai, a kapacitív és az elektromágneses megközelítések közül. Függetlenül attól, hogy melyiket választjuk, számos megoldás áll rendelkezésre, amelyek segítségével biztosítható az áramkör integritása, valamint a biztonság a tervező és a végfelhasználó oldalán is.

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.

About this author

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.

About this publisher

Digi-Key's North American Editors