Technologie i rozwiązania w zakresie izolacji danych i zasilania USB

Izolacja zasilania USB

Analizując uważnie arkusze danych komponentów izolacyjnych, projektanci szybko zdadzą sobie sprawę, że każda ze stron komponentu izolacyjnego wymaga oddzielnych źródeł zasilania: jednego dla strony pierwotnej i jednego dla strony wtórnej (VCC1 i VCC2), każdego z odpowiednim uziemieniem referencyjnym w celu utrzymania bariery izolacyjnej.

Jeśli rozważany projekt ma oddzielne źródła zasilania, USB 5V po stronie pierwotnej i oddzielną baterię plus uziemienie do zasilania wtórnego, wówczas wszystko jest w porządku. Jeśli jednak produkt jest zaprojektowany dla jednego źródła, powiedzmy tylko wejścia USB 5V, to w jaki sposób zapewnione jest napięcie strony wtórnej izolacji? Rozwiązaniem jest przetwornica prądu stałego (lub sterownik transformatorowy) i transformator izolacyjny. Przetwornica prądu stałego może służyć do zwiększania lub zmniejszania napięcia, podczas gdy transformator zapewnia izolację galwaniczną.

Jeden z takich izolowanych zasilaczy pokazano na ilustracji 6 na przykładzie sterownika SN6505 firmy Texas Instruments połączonego z transformatorem izolacyjnym 750315371 firmy Würth Elektronik (wytrzymałość izolacji 2500Vrms). Zastosowanie standardu USB o napięciu 5V i natężeniu prądu 500mA na wejściu w sterowniku SN6505 zazwyczaj zapewnia więcej niż potrzeba mocy do zasilania obwodów izolowanych strony wtórnej do przesyłania danych, a także ewentualnie innych obwodów, takich jak czujniki. O prostowanie prądu na wyjściu dbają dwie diody po stronie obwodu wtórnego. Wielu projektantów dodaje po stronie wtórnej regulator napięcia o niskim spadku (LDO), aby zapewnić precyzyjniejszą regulację napięcia.

Ilustracja 6: Sterownik transformatorowy SN6505 firmy Texas Instruments w połączeniu z transformatorem izolacyjnym 750315371 firmy Würth Elektronik zapewnia izolowaną ścieżkę zasilania do sterowania obwodem strony wtórnej. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Dodatkowe kryterium, które może stać się istotne dla projektanta: dostępna przestrzeń na płytce drukowanej (PCB). Używanie oddzielnych komponentów do izolacji zasilania i danych może zabierać cenne miejsce na płytce. Dobra wiadomość jest taka, że istnieją urządzenia, które łączą w sobie izolację zasilania i transmisji danych w jednej obudowie. Przykładem takiej topologii jest dwukanałowy izolator cyfrowy ADuM5240 firmy Analog Devices (ilustracja 7).

Ilustracja 7: Dwukanałowy izolator cyfrowy ADuM5240 firmy Analog Devices łączy izolację zasilania i danych w jednym urządzeniu, aby zaoszczędzić miejsce. (Źródło ilustracji: © Analog Devices)

Izolator ADuM5240 wykorzystuje transformatorową izolację magnetyczną zarówno do zasilania, jak i transmisji danych w jednej, zintegrowanej obudowie, zmniejszając tym samym potrzebną przestrzeń na płytce drukowanej. Izolator ADuM5240 charakteryzuje się wytrzymałością izolacji 2500Vrms przez 1 minutę zgodnie z normą UL 1577 i szybkością transmisji danych do 1Mb/s.

Izolacja danych USB na wcześniejszym etapie

Wszystkie powyższe przykłady zakładają izolację między obwodem pierwotnym i wtórnym. W przypadku, gdy w systemie znajduje się już urządzenie peryferyjne, jednak nie jest ono wyposażone w sprzęt do izolacji danych, projektanci mogą wykonać izolację na interfejsie USB (tj. na kablu). To powoduje skuteczne przesunięcie punktu izolacji do wcześniejszego miejsca między hostem USB a urządzeniem peryferyjnym USB (ilustracja 8).

Ilustracja 8: W przypadku, gdy w systemie znajduje się już urządzenie peryferyjne, jednak nie jest ono wyposażone w sprzęt do izolacji danych, projektanci mogą wykonać zabezpieczenia, przesuwając izolację danych USB do wcześniejszego miejsca pomiędzy hostem USB i urządzeniem peryferyjnym USB. (Źródło ilustracji: © Digi-Key Electronics).

Aby wdrożyć to podejście, projektanci mogą skorzystać z izolatora ADuM4160 firmy Analog Devices z izolacją o wytrzymałości 5000Vrms przez 1 minutę. To rozwiązanie wykorzystuje tę samą technologię iCoupler, którą omówiono powyżej, ale izolacja jest ukierunkowana na interfejs danych USB (D+ i D-) (ilustracja 9). Dodatkowe zastosowania izolatora ADum4160 to m.in. izolowane koncentratory USB i urządzenia medyczne.

Ilustracja 9: Izolator ADuM4160 firmy Analog Devices stanowi rozwiązanie do izolacji linii danych USB (D+, D-), które może być przydatne, gdy konieczne jest zapewnienie izolacji na połączeniu kablowym hosta USB z urządzeniem peryferyjnym. (Źródło ilustracji: © Analog Devices)