ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА USB ПОРТА

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона
Модуль повышающего преобразователя на UC3843A

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА USB ПОРТА


USB является самым популярным последовательным интерфейсом во многих бытовых и профессиональных электронных устройствах. И все чаще требуются решения для этого стандарта, обеспечивающие полную безопасность, то есть такие которые обеспечивают нечувствительность и устойчивость к разности потенциалов земли на обеих сторонах линии связи и к помехам, возникающим при питании устройств, соединенных кабелем от множества различных напряжений и источников питания.

Чтобы устранить проблемы с контурами заземления и их разностью потенциалов, оба тракта питания и линии передачи данных должны быть гальванически изолированы со стороны заземления, а линия передачи данных - с другой стороны кабеля USB. Существует несколько методов изолирования передачи данных в зависимости от требуемой скорости. Кроме того, для самого разделения можно использовать различные методы, включая емкостную, оптическую и электромагнитную развязку. Далее будет показано, как можно обеспечить гальваническую развязку в USB для многих различных технологий изоляции, а также преимущества и недостатки каждой из них. Также представлены готовые решения этого вопроса от Texas Instruments, Wurth Elektronik, ON Semiconductor и Analog Devices.

Что такое гальваническая развязка

Гальваническая развязка предотвращает протекание электрического тока между двумя или более отдельными цепями, в то же время позволяя энергии или информации течь между ними. Одна часть (основная) состоит из главной цепи, которая питается от USB и разделяет двунаправленный поток данных с главным компьютером. Область разделяющая цепи, называется изоляционным барьером, и она может выдерживать напряжение в несколько киловольт без пробоя. Она изготовлена из воздушной заслонки или схожего материала.

Пример гальванической развязки между входом USB на первичной и вторичной сторонах. Изолирующий барьер должен выдерживать напряжение до нескольких тысяч вольт.

Изолированная передача данных

Гальваническая развязка позволяет передавать данные между отдельными электрическими цепями. Есть несколько практических решений этой проблемы, включая оптические, емкостные и электромагнитные технологии. Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и недостатки, в том числе: по скорости передачи данных, устойчивости к электростатическому разряду, помехам и уровню мощности.

В оптоизоляторе светодиод излучает световые импульсы, которые проходят через изолирующий барьер и затем принимаются фотодиодом на вторичной стороне

Оптическое разделение - одно из самых известных решений. В нем используется оптоизолятор или оптопара, а разделение цепей достигается за счет использования светодиода на первичной стороне и фототранзистора на вторичной. FOD817 - хороший пример такого компонента. Данные передаются с помощью световых импульсов создаваемых светодиодами, которые улавливаются фототранзистором.

Учитывая что для передачи данных используется свет, оптоизолятор не подвержен электромагнитным помехам. С другой стороны, скорость передачи данных низкая, потому что ограничена низкой скоростью переключения светодиода. Кроме того, оптроны обычно имеют более малый срок службы по сравнению с другими технологиями из-за ухудшения параметров светодиодов со временем.

FOD817 имеет 1 канал связи с изоляцией 5 кВ переменного тока. Он включает в себя ИК-диод на основе GaAs и кремниевый фототранзистор. Используется в основном в регуляторах мощности и цифровых линиях ввода-вывода.

Электромагнитная связь - это самое старое решение для изоляции цепей, в котором задействуются две катушки с магнитной связью. Этот метод используется компанией Analog Devices как технология iCoupler. Там катушки интегрированы в микросхему и разделены слоем полиамидной подложки.

В двойном изоляторе для шины I2C ADuM1250 каждая линия интерфейса I2C требует двух отдельных трансформаторов для обеспечения двунаправленной передачи

Изоляторы с электромагнитной связью более восприимчивы к помехам чем оптоизоляторы, и создают собственные помехи, которые могут также стать проблемой. Их преимущества - более высокая скорость передачи данных 100 Мбит / с и более низкое энергопотребление. Примером может служить ADuM1250. Он обеспечивает двунаправленную изоляцию данных для шины I?C со скоростью передачи до 1 Мбит / с. Изоляция составляет 2500 В среднеквадратического значения. Схема потребляет ток 2,8 мА на первичной стороне и 2,7 мА на вторичной при напряжении питания 5 В. Двунаправленность достигнута с помощью двух трансформаторов.

Емкостная изоляция позволяет сигналам переменного тока проходить через изоляционный барьер

Обычно данные передаются между катушками трансформатора с использованием кодирования по краям. Импульсы наносекундной длительности используются для идентификации нарастающего и спадающего фронтов сигнала данных. Чип также включает в себя кодировщик и декодер.

Емкостная изоляция достигается с помощью конденсаторов, которые блокируют постоянное напряжение, но не переменную составляющую.

Использование несущего радиосигнала и модулируя его сигналом данных, например с помощью двухпозиционной манипуляции (OOK), информация может быть отправлена через гальванический барьер.

Двухпозиционная манипуляция (ООК) позволяет сигналу данных проходить через изолирующий барьер

Как и в случае с магнитной изоляцией, преимущества емкостной заключаются в высокой скорости передачи (100 Мбит / с и более) и низком энергопотреблении. К недостаткам можно отнести большую восприимчивость к помехам от электрического поля.

Примером использования технологии емкостной изоляции является четырехканальный цифровой изолятор Texas Instruments ISO7742, который обеспечивает сопротивление пробоя 5000 В. Эта микросхема имеет множество конфигураций в зависимости от требуемого направления потока данных. Она имеет скорость передачи данных 100 Мбит / с и потребляет 1,5 мА на канал. Применяют в медицинском оборудовании, источниках питания и промышленной автоматике.

Гальваническая изоляция питания USB

Обеспечение изоляции также требует гальванической развязки источника питания: один для первичной стороны и один для вторичной стороны с отдельными линиями заземления. Если в рассматриваемом проекте есть отдельные источники питания, то все нормально. Но если доступен только один источник, дополнительный изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный является подходящим решением.

Контроллер Texas Instruments SN6505 и дополнительный трансформатор обеспечивают гальваническую развязку питания на вторичной стороне

Примером такого решения выступает преобразователь на базе микросхемы SN6505, взаимодействующий с изолирующим трансформатором, который обеспечивает изоляцию до 2500 В.

Стандартный USB порт на 5 В и 500 мА обеспечивает более чем достаточную мощность для надежной работы такого дополнительного преобразователя. Два диода на вторичной стороне обеспечивают выпрямление напряжения на выходе. Во многих конструкциях добавлен стабилизатор LDO для обеспечения низкой пульсации и хорошей стабилизации.

Дополнительным важным критерием выбора является занятость места на печатной плате изоляционной схемой. Использование отдельных компонентов для изоляции питания и данных, а также дополнительного трансформатора, занимает много ценного места. К счастью на рынке есть продукты, которые реализуют изоляцию питания и данных в одном чипе. Примером может служить двухканальный цифровой изолятор ADuM5240.

Двухканальный цифровой изолятор ADuM5240 от Analog Devices обеспечивает изоляцию линий питания и данных

ADuM5240 имеет изоляцию 2500 В, которая соответствует требованиям UL 1577 и обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит / с.

Гальваническая изоляция данных в USB

Если уже существует готовое периферийное устройство, разработанное без оборудования для изоляции данных, разработчики могут обеспечить защиту, переместив изоляцию данных USB между хостом USB и периферийным устройством.

Все приведенные примеры предполагают реализацию изоляции между первичной и вторичной цепями интерфейса связи. Когда периферийное устройство готово, разработчики могут сделать изоляцию на интерфейсе USB, то есть на кабеле.

Микросхема ADuM4160 обеспечивает изоляцию линии передачи данных USB (D +, D–)

В этом случае стоит обратиться к ADuM4160 от Analog Devices. Там также используется технология iCoupler, но изоляция применяется к интерфейсу передачи данных USB (D+ и D–). Она разработана для изолированных концентраторов USB и медицинского оборудования.

Рекомендации по проектированию

При выборе подходящей технологии учитывается множество факторов. Следует обратить внимание на потребление энергии как для вторичной, так и для первичной части, а также на величину доступной мощности питания с точки зрения ее достаточности для работы устройства. Также необходимо взглянуть на выбранное решение с точки зрения потенциальных проблем с электромагнитной совместимостью и уже тогда выбирать окончательно подходящее схемное решение.

   Форум




   Форум по обсуждению материала ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА USB ПОРТА


ОДНОКНОПОЧНЫЙ КОДОВЫЙ ЗАМОК

Кодовая кнопка для ограничения доступа к объектам, простая схема с реле на МК Attiny13.


ПРИСТАВКИ К МУЛЬТИМЕТРУ

Сборник из 10 конструкций и схем приставок к цифровым мультиметрам, расширяющих функционал измерительных приборов.


ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ

В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.



Радиосхемы » Схемы источников питания



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук