Tekniker och lösningar för ström- och dataisolering i USB-standarden

Universal Serial Bus (USB) som introducerades 1996 har blivit den ledande metoden för att ansluta kringutrustning till datorer. USB-datahastigheterna har ökat under de senaste 24 åren från 1,5 Mbit/s till över 20 Gbit/s. Särskilt test- och mätutrustningstillverkare har dragit nytta av detta och har gått till marknaden med USB-baserad testutrustning. Hobbyentusiaster har också utnyttjat att USB finns överallt och har utvecklat många av sina egna unika mätverktyg.

Det finns dock en potentiell lurande fara när du använder eller utvecklar USB-baserad utrustning ansluten till en dators USB-port. Medan en enhet som testas (DUT) kan drivas från en flytande strömförsörjning, kan jordslingor spela dig spratt när den är ansluten till en jordad dator. Som en följd av detta kan allvarliga jordpotentialdifferenser genereras, vilka kan orsaka kretsskador och, i värsta fall, personskador.

För att eliminera jordslingor, måste både effekt- och datakommunikationsvägarna isoleras galvaniskt från datorns USB-jord. Det finns olika alternativ för att isolera datakommunikationen beroende på datahastighet och protokoll. Dessutom finns flera olika isoleringsstrategier, inklusive kapacitiva, optiska och elektromagnetiska.

Denna artikel definierar galvanisk isolering och går sedan vidare till att beskriva många av de olika USB-isoleringsteknikerna och fördelarna och nackdelarna med var och en. Sedan introduceras verkliga isoleringslösningar från Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor och Analog Devices och det visas hur dessa kan användas effektivt.

Vad är galvanisk isolering?

Essensen i galvanisk isolering är att den förhindrar strömflöde eller konduktion mellan två eller flera separata elektriska kretsar, medan energi och/eller information fortfarande passerar mellan dem.

För att hålla det överskådligt kommer denna artikel att fokusera på två separata kretsar, kallade primär och sekundär sida. Den primära kretsen är USB-driven och delar ett dubbelriktat dataflöde med en värddator. Delen som skiljer kretsarna åt kallas en isoleringsbarriär och väljs för att motstå genombrottsspänningar på hundratals till tusentals volt. Vanligtvis åtskiljs de två kretsarna åt av luft, kiseldioxid (SiO₂), polyimid eller annat ej ledande material (Figur 1).

Figur 1: Här visas ett exempel på galvanisk isolering mellan USB-ingången på kretsens primära och sekundära sida. Isolationsbarriären måste tåla spänningar på hundratals till tusentals volt. (Bildkälla: DigiKey)

Isolerad dataöverföring

Enligt definition ovan möjliggör galvanisk isolering data- eller informationsöverföring mellan de separerade elektriska kretsarna. Men hur kan detta uppnås utan någon typ av ledande material mellan kretsarna? Det finns flera praktiska lösningar på detta problem såsom optiska, kapacitiva och elektromagnetiska tekniker. Det finns fördelar och nackdelar med vart och ett av dessa tillvägagångssätt, vilket diskuteras nedan. Konstruktören måste ta hänsyn till datahastigheter, elektrostatisk urladdning (ESD), störningar och effektbehov för att kunna avgöra vilken strategi som är bäst att använda.

Optiska tekniker: En av de mest kända metoderna för isolering är den optiska isolatorn eller optoisolatorn (eller optokopplaren). Isolering uppnås genom användning av en lysdiod (LED) på den primära sidan av isoleringsbarriären och en fotokänslig transistor på sekundära sidan. ON Semiconductors FOD817 är ett bra exempel på en optoisolator (Figur 2). Data överförs med hjälp av ljuspulser över isoleringsbarriären från lysdioden, vilka tas emot av fototransistorn i en konfiguration med öppen kollektor. När lysdioden lyser genererar fotodioden ett strömflöde i sekundärkretsen.

Eftersom ljus används för dataöverföringen, är optoisolatorn inte känslig för elektromagnetiska störningar (EMI). En nackdel är att dataöverföringshastigheterna kan bli långsamma, eftersom datahastigheten är en funktion av lysdiodens switchninghastighet. Optoisolatorer tenderar också att ha en kortare livslängd jämfört med andra tekniker till följd av försämring av lysdioderna över tid.

Figur 2: Optoisolator - lysdioden avger ljuspulser genom isoleringsbarriären, vilka tas emot av fotodioden och genererar strömflöde i sekundärkretsen. (Bildkälla: ON Semiconductor)

FOD817 är en enkanalig anordning med upp till 5 kVrms AC i en minut. Den består av en infraröd LED av galliumarsenid (GaAs) som driver en kiselfototransistor. Exempel på tillämpningar kan vara effektregulatorer och digitala logiska ingångar.

Elektromagnetisk isolering: Detta är kanske det äldsta tekniska tillvägagångssättet för kretsisolering. Grunden för elektromagnetisk induktion används för att överföra data (och effekt, vilket diskuteras senare) mellan två spolar. Denna metod har förbättrats avsevärt över tiden av företag som Analog Devices med sin iCoupler-teknik. iCoupler-tekniken bäddar in transformatorns spolar i en integrerad krets och använder ett polyimidsubstrat för isoleringsbarriären.

Elektromagnetiska metoder för isolering är mer mottagliga för magnetfältsinterferens än optoisolatorer, och de genererar sin egen potentiella EMI, vilken kan behöva åtgärdas i produktkonstruktionsfasen. Fördelarna är dock högre datahastigheter på 100 Mbit/s eller mer och låg strömförbrukning.

ADuM1250 från Analog Devices ger ett exempel på denna typ av teknik (Figur 3). För dubbelriktad I²C-dataisolering, som i exempevis hot-swap-produkter, har komponenten en datahastighet på upp till 1 Mbit/s och är klassad till 2500 Vrms i en minut enligt UL 1577. Den drar 2,8 mA ingångsström (IDD1) på primärsidan och 2,7 mA ström på sekundärsidan (IDD2) vid 5 V matningsspänning (VDD1 och VDD2). Observera att varje I²C-kanal (klock- och dataledningar) i ADuM1250 kräver två inbäddade transformatorer för att uppnå ett dubbelriktat flöde.

Normalt överförs data mellan transformatorns spolar med hjälp av ett flankövergångsschema. Korta pulser - 1 nanosekund långa - används för att identifiera fram- och bakflankerna på datasignalen. Kodnings- och avkodningshårdvara är också inbyggt i enheten.

Figur 3: På dubbla I²C-isolatorn ADuM1250, kräver varje I²C-ledning två distinkta transformatorer för att uppnå dubbelriktad data- och klocköverföring. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Kapacitiv isolering: Kapacitiv isolering uppnås, som namnet antyder, genom användning av kondensatorer (figur 4). Givet grundegenskaperna hos kapacitanser blockeras likspänningen av kondensatorn medan växelspänningen flödar fritt.

Figur 4: Kapacitiv isolering utnyttjar de kapacitiva egenskaperna som blockerar likströmssignaler och låter växelströmssignaler flöda över isoleringsbarriären. (Bildkälla: Texas Instruments)

Genom att använda en högfrekvensbärare (AC) för dataöverföring över kondensatorn kan information skickas med hjälp av ett moduleringsschema som on-off-keying (OOK). Närvaro av en högfrekvent bärvåg kan utgöra en digital utgång på noll (LÅG), och frånvaro av bäraren skulle betyda ett (HÖG) (Figur 5).

Figur 5: Ett on-off-keying-schema (OOK) använder närvaro eller frånvaro av en högfrekvent bärvågssignal (AC) som levereras genom isoleringsbarriären för att överföra en logisk signal av nivå HÖG eller LÅG. (Bildkälla: Texas Instruments)

Liksom magnetisk isolering är fördelarna med kapacitiv isolering höga dataöverföringshastigheter (100 Mbit/s eller högre) och låg strömförbrukning. Nackdelarna inkluderar större känslighet för interferens från elektriska fält.

Ett bra exempel på kapacitiv isoleringsteknik är Texas Instruments ISO7742, en fyrkanalig digital isolator med isolering upp till 5000 Vrms. Enheten finns i flera konfigurationer beroende på önskad riktning på dataflödet. Den har en datahastighet på 100 Mbit/s och förbrukar 1,5 mA per kanal. Tillämpningar för ISO7742 inkluderar medicinsk utrustning, strömförsörjning och industriell automatisering.

USB-strömisolering

Om konstruktörer är uppmärksamma på databladen till isoleringskomponenterna, inser de snabbt att varje sida av isoleringskomponenten kräver separata strömkällor: en för primärsidan och en för sekundärsidan (VCC1 och VCC2), var och en med sin respektive jordreferens för att upprätthålla isoleringsbarriären.

Om den aktuella konstruktionen har separata strömkällor, USB 5 volt på den primära sidan och ett separat batteri plus jord för att driva den sekundära, är allt i sin ordning. Om produkten är konstruerad för en enda källa, t.ex. bara en USB 5 V-ingång, hur tillhandahålls den sekundära isoleringsspänningen? En DC/DC-omvandlare (eller transformatordrivkrets) och en isoleringstransformator ger lösningen. DC/DC-omvandlaren kan användas för att trappa upp eller ner spänningen, medan transformatorn ger den galvaniska isoleringen.

Ett exempel på en sådan isolerad strömförsörjning visas i figur 6 med Texas Instruments drivkrets SN6505 i kombination med Würth Elektroniks isoleringstransformator 750315371 (2500 Vrms isolering). Genom att använda USB-standarden på 5 volt och 500 mA till SN6505 ger vanligtvis mer än tillräckligt med ström för att driva isoleringskretsar på sekundärsidan för dataöverföring, samt eventuellt andra kretsar som sensorer. De två dioderna på sekundärkretssidan ger likriktning på utgången. Många konstruktioner lägger till en LDO-spänningsregulator på sekundärsidan för renare spänningsreglering.

Figur 6: Texas Instruments transformatordrivkrets SN6505 i kombination med Würth Elektroniks isoleringstransformator 750315371 ger en isolerad effektbana för att driva sekundärsidan. (Bildkälla: Texas Instruments)

Ett ytterligare kriterium som kan bli viktigt för konstruktören: tillgängligt utrymme på kretskortet. Att använda separata komponenter för kraft- och dataisolering kan konsumera värdefullt utrymme på ett kort. Den goda nyheten är att det finns komponenter som kombinerar både ström- och dataöverföringsisolering i ett enda paket. Ett exempel på en sådan topologi är Analog Devices dubbelkanaliga digitala isolator ADuM5240 (Figur 7).

Figur 7. Analog Devices dubbelkanaliga digitala isolator ADuM5240 kombinerar både ström- och dataisolering i en anordning för att spara utrymme. (Bildkälla: Analog Devices)

ADuM5240 använder transformatorbaserad magnetisk isolering för både ström och dataöverföring i ett enda paket för att minska de totala kraven på kretskortsutrymme. ADuM5240 ger isolering på 2500 Vrms under 1 minut enligt UL 1577 och en datahastighet på upp till 1 Mbit/s.

USB-dataisolering uppströms

Alla exempel som visas ovan antar att det finns isolering mellan den primära och sekundära kretsen. I fall där det redan finns en kringutrustning konstruerad utan dataisoleringshårdvara, kan konstruktörer göra isoleringen vid USB-gränssnittet (dvs: vid kabeln). Detta skjuter i praktiken dataisoleringen uppströms till mellan USB-värden och USB-kringutrustningen (Figur 8).

Figur 8: Om det redan finns en kringutrustning som är konstruerad utan hårdvara för dataisolering, kan konstruktörer fortfarande ge skydd genom att flytta USB-dataisoleringen uppströms, till mellan USB-värden och USB-anordningen. (Bildkälla: DigiKey)

För att implementera detta tillvägagångssätt kan konstruktörer använda Analog Devices ADuM4160 med isolering av upp till 5000 Vrms i en minut. Denna lösning använder samma iCoupler-teknik som diskuterats ovan, men isoleringen är riktad mot USB-datagränssnittet (D+ och D-) (Figur 9). Andra tillämpningar för ADum4160 inkluderar isolerade USB-hubbar och medicintekniska apparater.

Figur 9: Analog Devices ADuM4160 erbjuder en USB-dataledningsisoleringslösning (D+, D-) som kan vara användbar där det krävs isolering i kabelanslutningen mellan USB-värden och USB-anordningen. (Bildkälla: Analog Devices)

Konstruktionsöverväganden för isolering

Hur väljer en konstruktör den bästa isoleringstekniken? Som nämnts ovan spelar flera faktorer in för att välja rätt teknik för jobbet. Tabell 1 visar några av dessa konstruktionskriterier för olika typer av isoleringstekniker. Som med alla konstruktioner, måste man gå noggrant till väga för att förstå komponenterna som används. Det finns inget alternativ till att noggrant granska datablad och ta fram prototyper med utvalda komponenter.

Tabell 1: Det finns några viktiga faktorer att tänka på när man väljer ett isoleringssätt, men det är viktigt att konstruktörer noggrant studerar databladet och bygger prototypen med utvalda komponenter. (Datakälla: DigiKey)

Utöver de faktorer som definieras i tabell 1, måste även andra faktorer beaktas när man utvecklar USB-baserad isolerad kringutrustning. Exempelvis måste den totala energibudgeten som krävs för sekundärkretsen beräknas. Tillräcklig effekt måste överföras från primärsidan till den isolerade sekundära strömkretsen för att leverera all nödvändig effekt till inte bara isoleringskomponenterna utan även andra enheter som sensorer, lysdioder och logikkomponenter.

Som nämnts ovan - om man använder en elektromagnetisk isoleringslösning - måste även potentiell EMI som genereras av transformatorn/-erna beaktas vid emissionstestning och/eller EMI-påverkan på andra kretsar.

Slutsats

USB-standarden fortsätter att expandera i överföringshastighet och strömmatningsfunktionalitet. Men när man utvecklar produkter med USB-ström och/eller datagränssnitt är det klokt att hålla galvanisk isolering av data- och strömkretsar i åtanke.

För att uppnå galvanisk isolering kan konstruktörer välja mellan optiska, kapacitiva och elektromagnetiska metoder efter att ha beaktat flera kriterier, inklusive dataöverföringshastigheter och EMI, samt krav på ström- och kortutrymme. Oavsett vilket av detta som väljs, finns det många tillgängliga lösningar som hjälper konstruktörer att garantera både kretsfunktion och säkerheten för konstruktörer och slutanvändare.