EUR | USD

Technieken en oplossingen voor USB-stroom- en gegevensisolatie

Door Doug Peters

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

De in 1996 geïntroduceerde Universal Serial Bus (USB) is de belangrijkste methode geworden voor het aansluiten van randapparatuur op PC's. Nu de datasnelheden via USB de afgelopen 24 jaar zijn gestegen van 1,5 megabit per seconde (Mbits/s) tot meer dan 20 gigabit per seconde (Gbits/s), hebben met name fabrikanten van test- en meetapparatuur dit in de gaten gehouden en zijn zij met op USB gebaseerde testapparatuur op de markt gekomen. Hobbyisten hebben ook geprofiteerd van de alomtegenwoordigheid van USB en hebben veel van hun eigen unieke meetinstrumenten ontwikkeld.

Er ligt echter een potentieel gevaar op de loer bij het gebruik of ontwerp van op USB-gebaseerde apparatuur die op de USB-poort van een PC wordt aangesloten. Een te testen apparaat (DUT) mag dan wel worden gevoed door een zwevende voeding, maar als het eenmaal is aangesloten op een geaarde PC, kunnen aardlussen een rol gaan spelen. Als gevolg daarvan kunnen ernstige aardpotentiaalverschillen ontstaan die schade aan het circuit kunnen veroorzaken, of erger nog, persoonlijk letsel.

Om aardlusverbindingen uit te sluiten, moeten zowel het voedings- als het datacommunicatiepad galvanisch worden geïsoleerd van de USB-aarding van de PC. Er zijn verschillende mogelijkheden om datacommunicatie te isoleren, afhankelijk van de datasnelheid en het protocol. Bovendien kunnen meerdere isolatiestrategieën worden toegepast, waaronder capacitieve, optische en elektromagnetische.

Dit artikel geeft een definitie van galvanische isolatie en beschrijft vervolgens de verschillende USB-isolatietechnologieën en de voor- en nadelen van elk ervan. Vervolgens worden echte isolatie-oplossingen van Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor en Analog Devices voorgesteld en wordt getoond hoe deze doeltreffend kunnen worden toegepast.

Wat is galvanische isolatie?

In essentie voorkomt galvanische isolatie dat er stroom vloeit of geleiding plaatsvindt tussen twee of meer afzonderlijke elektrische circuits, terwijl er toch energie en/of informatie tussen kan worden doorgegeven.

Ter vereenvoudiging zal dit artikel zich richten op twee afzonderlijke circuits, die primaire en secundaire zijde worden genoemd. Het primaire circuit wordt gevoed via USB en deelt de bidirectionele gegevensstroom met een host-PC. Het gebied dat de circuits scheidt, wordt isolatiebarrière genoemd en wordt zo gekozen dat het bestand is tegen doorslagspanningen van honderden tot duizenden volts. Gewoonlijk worden de twee circuits gescheiden door lucht, siliciumdioxide (SiO2), polyimide of ander niet-geleidend materiaal (Afbeelding 1).

Schema van de galvanische isolatie tussen de USB-ingang aan primaire en secundaire zijdeFiguur 1: Afgebeeld is een voorbeeld van galvanische isolatie tussen de USB-ingang aan de primaire zijde van de schakeling en de secundaire zijde. De isolatiebarrière moet bestand zijn tegen spanningen van honderden tot duizenden volts. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Geïsoleerde gegevensoverdracht

Zoals hierboven gedefinieerd, maakt galvanische isolatie de overdracht van gegevens of informatie tussen de gescheiden elektrische circuits mogelijk. Maar hoe kan dit worden bereikt zonder een soort geleidend materiaal tussen de circuits? Er zijn verschillende praktische oplossingen voor dit probleem, waaronder optische, capacitieve en elektromagnetische technologieën. Aan elk van deze benaderingen zijn voor- en nadelen verbonden, zoals hieronder wordt besproken. De ontwerper moet bij zijn beslissing over de te gebruiken strategie rekening houden met de datasnelheid, elektrostatische ontlading (ESD), interferentie en stroomvereisten.

Optische: Een van de meest bekende benaderingen van isolatie is de optische isolator of optoisolator (of optocoupler). De isolatie wordt bereikt door het gebruik van een lichtemitterende diode (LED) aan de primaire zijde van de scheidingsbarrière en een fotogevoelige transistor aan de secundaire zijde. De ON Semiconductor FOD817 is een goed voorbeeld van een optoisolator (Afbeelding 2). De gegevens worden verzonden met lichtpulsen over de isolatiebarrière van de LED, die worden ontvangen door de fototransistor in een open-collectorconfiguratie. Wanneer de LED brandt, zal de fotodiode een stroom opwekken in het secundaire circuit.

Aangezien voor de gegevensoverdracht licht wordt gebruikt, is de optoisolator niet gevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI). Negatief is dat de gegevensoverdracht traag kan zijn omdat de gegevensoverdrachtssnelheid afhankelijk is van de schakelsnelheid van de LED. Ook hebben optoisolators de neiging een kortere levensduur te hebben dan andere technologieën, als gevolg van de degradatie van de LED's na verloop van tijd.

Schema van een optoisolator - de LED zendt lichtpulsen uit door de scheidingsbarrièreAfbeelding 2: Optoisolator - de LED zendt lichtimpulsen uit door de isolatiebarrière, die door de fotodiode worden ontvangen en in het secundaire circuit stroom opwekken. (Afbeelding: ON Semiconductor)

De FOD817 is een éénkanaalsapparaat voor een nominale wisselspanning tot 5 kilovolt (kV) rms gedurende één minuut. Het bestaat uit een galliumarsenide (GaAs) infrarood (IR) LED die een silicium fototransistor aanstuurt. Toepassingen zijn onder meer vermogensregelaars en digitale logische ingangen.

Elektromagnetische isolatie: Dit is wellicht de oudste technologische benadering van circuitisolatie. De grondbeginselen van elektromagnetische inductie worden gebruikt om gegevens (en vermogen, zoals later besproken) tussen twee spoelen over te brengen. Deze aanpak is in de loop der tijd aanzienlijk verbeterd door bedrijven als Analog Devices met zijn iCoupler-technologie. De iCoupler-technologie brengt de transformatorspoelen onder in een geïntegreerde schakeling en gebruikt een polyimidesubstraat voor de isolatiebarrière.

Elektromagnetische benaderingen van isolatie zijn gevoeliger voor interferentie door magnetische velden dan optoisolators, en zij genereren hun eigen potentiële EMI, waarmee wellicht rekening moet worden gehouden in de fase van het productontwerp. De voordelen zijn echter hogere datasnelheden van 100 Mbits/s of meer en een laag stroomverbruik.

De ADuM1250 van Analog Devices is een voorbeeld van dit soort technologie (Afbeelding 3). Het apparaat is gericht op bidirectionele I2C-gegevensisolatietoepassingen zoals hot-swap-toepassingen, heeft een datasnelheid tot 1 Mbit/s en is bestand tegen 2500 volt rms gedurende één minuut volgens UL 1577. Hij trekt 2,8 milliampère (mA) ingangsstroom (IDD1) aan primaire zijde en 2,7 mA stroom aan secundaire zijde (IDD2) bij een voedingsspanning van 5 volt (VDD1 en VDD2). Merk op dat elk I2C-kanaal (klok en data lijnen) in de ADuM1250 twee ingebouwde transformators nodig heeft om bidirectionaliteit te bereiken.

Gewoonlijk worden de gegevens tussen de transformatorspoelen overgedragen met behulp van een randovergangsschema. Korte pulsen van één nanoseconde worden gebruikt om de voor- en achterkant van het datasignaal te identificeren. Ook coderings- en decoderingshardware is in het toestel ingebouwd.

Schema van Analoge Devices ADuM1250 dubbele I2C-isolatorAfbelding 3: Op de ADuM1250 dubbele I2C-isolator heeft elke I2C-lijn twee verschillende transformatoren nodig om bidirectionele data- en klokoverdracht te realiseren. (Afbeelding bron: Analog Devices, Inc.)

Capacitieve isolatie: Capacitieve isolatie wordt, zoals de naam al zegt, bereikt door het gebruik van condensators (Afbeelding 4). Door de eigenschappen van de capacitieve technologie wordt gelijkspanning geblokkeerd door de condensator, terwijl wisselspanning vrij kan stromen.

Schema van capacitieve isolatie maakt gebruik van de capacitieve eigenschap van het blokkeren van DC-signalen Afbeelding 4: Capacitieve isolatie maakt gebruik van de capacitieve eigenschap om DC-signalen te blokkeren en AC-signalen door de isolatiebarrière te laten stromen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Door gebruik te maken van een hoogfrequente draaggolf (AC) voor de gegevensoverdracht over de condensator, kan informatie worden doorgegeven met gebruikmaking van een modulatieschema zoals on-off keying (OOK). De aanwezigheid van een hoogfrequente draaggolf zou een digitale uitgang van nul (LOW) kunnen betekenen, en de afwezigheid van de draaggolf zou een één (HIGH) betekenen (Afbeelding 5).

Schema van on-off keying (OOK) gebruikt een hoogfrequent draaggolfsignaal (AC)Figuur 5: Een on-off keyingschema (OOK) maakt gebruik van de aan- of afwezigheid van een hoogfrequent draaggolfsignaal (AC) dat door de scheidingsbarrière wordt gevoerd om een signaal van logisch niveau HOOG of LAAG over te brengen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Net als bij magnetische isolatie zijn de voordelen van capacitieve isolatie hoge gegevensoverdrachtssnelheden (100 Mbits/s of meer) en een laag stroomverbruik. Nadelen zijn de grotere gevoeligheid voor interferentie van elektrische velden.

Een goed voorbeeld van capacitieve isolatietechnologie is de ISO7742 digitale vierkanaals isolator van Texas Instruments met een isolatie tot 5000 volt rms . Het apparaat is verkrijgbaar in verschillende configuraties, afhankelijk van de vereiste richting van de gegevensstroom. Hij heeft een datasnelheid van 100 Mbits/s en verbruikt 1,5 mA per kanaal. Toepassingen voor de ISO7742 zijn onder meer medische apparatuur, voedingen en industriële automatisering.

USB-stroomisolatie

Als ontwerpers de datasheets van isolatiecomponenten goed bestuderen, zullen zij zich snel realiseren dat elke kant van de isolatiecomponent afzonderlijke voedingsbronnen nodig heeft: één voor de primaire kant en één voor de secundaire kant (VCC1 en VCC2), elk met hun respectieve massareferentie om de isolatiebarrière in stand te houden.

Als het beschouwde ontwerp afzonderlijke voedingsbronnen heeft, USB 5 volt aan de primaire zijde en een afzonderlijke batterij plus aarde om de secundaire van stroom te voorzien, dan is alles bevredigend. Als het product echter is ontworpen voor een enkele bron, bijvoorbeeld alleen een USB 5 volt ingang, hoe wordt dan de secundaire isolatiespanning geleverd? Een DC-DC-convertor (of transformatordriver) en een scheidingstransformator bieden de oplossing. De DC-DC converter kan worden gebruikt om de spanning te verhogen of verlagen, terwijl de transformator voor de galvanische scheiding zorgt.

Een voorbeeld van een dergelijke geïsoleerde voeding wordt getoond in Afbeelding 6, waarbij gebruik wordt gemaakt van een SN6505-driver van Texas Instruments in combinatie met een 750315371-isolatietransformator van Würth Elektronik (2500 volt rms isolatie). Het gebruik van de USB-standaard van 5 volt en 500 mA input naar de SN6505 levert gewoonlijk meer dan genoeg stroom om de secundaire isolatiecircuits aan te drijven voor gegevensoverdracht, en mogelijk ook andere circuits zoals sensoren. De twee diodes aan de kant van het secundaire circuit zorgen voor gelijkrichting aan de uitgang. Veel ontwerpen voegen een spanningsregelaar met lage uitval (LDO) toe aan de secundaire voor een schonere spanningsregeling.

Schema van de transformatordriver SN6505 van Texas Instruments in combinatie met een scheidingstransformator 750315371 van Würth ElektronikAfbeelding 6: De transformatordriver SN6505 van Texas Instruments in combinatie met een scheidingstransformator 750315371 van Würth Elektronik zorgt voor een geïsoleerd voedingspad om secundaire kringen aan te drijven. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een bijkomend criterium dat voor de ontwerper van belang kan worden: de beschikbare ruimte op de printplaat (PCB). Het gebruik van afzonderlijke componenten voor stroom- en gegevensisolatie kan kostbare ruimte op een printplaat in beslag nemen. Het goede nieuws is dat er apparaten zijn die zowel stroom- als datatransmissie-isolatie in één enkel pakket combineren. Een voorbeeld van een dergelijke topologie is de digitale tweekanaals isolator ADuM5240 van Analog Devices (Afbeelding 7).

Schema van de digitale tweekanaals isolator ADuM5240 van Analog DevicesAfbeelding 7. De ADuM5240 digitale tweekanaals isolator van Analog Devices combineert zowel stroom- als data-isolatie in één apparaat om ruimte te besparen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADuM5240 maakt gebruik van transformator-gebaseerde magnetische isolatie voor zowel voeding als datatransmissie in één enkel pakket om de totale benodigde printplaatoppervlakte te beperken. De ADuM5240 biedt een isolatie van 2500 volt rms gedurende 1 minuut volgens UL 1577, en een datasnelheid tot 1 Mbit/s.

Upstream USB-gegevensisolatie

In alle bovenstaande voorbeelden wordt uitgegaan van isolatie tussen de primaire en secundaire stroomkring. In gevallen waarin er reeds een randapparaat bestaat dat is ontworpen zonder hardware voor gegevensisolatie, kunnen ontwerpers de isolatie aanbrengen aan de USB-interface (d.w.z. aan de kabel). Hierdoor wordt de gegevensisolatie tussen de USB-host en het USB-randapparaat stroomopwaarts geplaatst (Afbeelding 8).

Schema van het stroomopwaarts verplaatsen van de isolatie van USB-gegevens, tussen de USB-host en de USB-randapparatuurAfbeelding 8: Als er al een randapparaat bestaat dat is ontworpen zonder hardware voor data-isolatie, kunnen ontwerpers nog steeds bescherming bieden door USB data-isolatie stroomopwaarts te verplaatsen, tussen de USB-host en het USB-randapparaat. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Om deze aanpak te implementeren, kunnen ontwerpers de ADuM4160 van Analog Device gebruiken met een isolatie van 5000 volt rms gedurende 1 minuut. Deze oplossing maakt gebruik van dezelfde iCoupler-technologie als hierboven besproken, maar de isolatie is gericht op de USB-data-interface (D+ en D-) (Afbeelding 9). Andere toepassingen voor de ADum4160 zijn geïsoleerde USB hubs en medische apparatuur.

Schema van Analoge Apparaten ADuM4160Afbeelding 9: De Analog Devices ADuM4160 biedt een oplossing voor USB-datalijnisolatie (D+, D-) die nuttig kan zijn wanneer het nodig is om isolatie te voorzien bij de USB-host-naar-randapparaatkabelverbinding. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Ontwerpoverwegingen voor isolatie

Hoe kiest een ontwerper de beste isolatietechniek? Zoals hierboven vermeld, spelen meerdere factoren een rol bij de keuze van de juiste technologie voor het uit te voeren werk. Tabel 1 bevat een aantal van die ontwerpcriteria voor de verschillende soorten isolatietechnologieën. Zoals bij elk ontwerp moet zorgvuldig worden nagegaan welke onderdelen worden gebruikt. Er is geen alternatief voor het grondig doornemen van datasheets en het maken van prototypes met geselecteerde componenten.

Tabel van sleutelfactoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een isolatie-aanpakTabel 1: Er zijn enkele sleutelfactoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een isolatiebenadering, maar het is van cruciaal belang dat ontwerpers het gegevensblad zorgvuldig bestuderen en een prototype maken met de gekozen componenten. (Gegevensbron: Digi-Key Electronics)

Naast de in tabel 1 genoemde factoren moet nog met andere factoren rekening worden gehouden bij de ontwikkeling van op USB gebaseerde geïsoleerde randapparatuur. Zo moet bijvoorbeeld het totale vermogensbudget worden berekend dat nodig is voor de secundaire stroomkring. Er moet voldoende vermogen van de primaire zijde naar de geïsoleerde secundaire kring worden overgebracht om alle nodige stroom te leveren, niet alleen voor de isolatiecomponenten, maar ook voor alle andere apparaten zoals sensoren, LED's en logische componenten.

Bovendien moet, zoals hierboven vermeld, bij gebruik van een elektromagnetische isolatieoplossing bij emissietests en/of EMI-impact op andere schakelingen rekening worden gehouden met potentiële EMI die door de transformator(en) wordt gegenereerd.

Conclusie

USB blijft groeien op het gebied van gegevensoverdrachtsnelheden en mogelijkheden voor stroomvoorziening. Bij het ontwerpen van producten met een USB-voedings- en/of gegevensinterface is het echter raadzaam de galvanische isolatie van de gegevens- en voedingsschakelingen in het oog te houden.

Om galvanische isolatie te bereiken, kunnen ontwerpers kiezen tussen optische, capacitieve en elektromagnetische benaderingen na afweging van meerdere criteria, waaronder gegevensoverdrachtssnelheden en EMI, alsmede vereisten inzake vermogen en ruimte op de printplaat. Ongeacht welke wordt gekozen, er zijn vele oplossingen beschikbaar om ontwerpers te helpen zowel de integriteit van de schakeling als de veiligheid van de ontwerper en de eindgebruiker te waarborgen.

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

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.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key