Technikák és megoldások az USB tápellátás és az adatok elválasztásához

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).

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: DigiKey)

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.

2. 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.

3. 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.

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).

5. 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.

6. 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).

7. 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).

8. 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: DigiKey)

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.

9. 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.

1. 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: DigiKey)

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.