Technologie i rozwiązania w zakresie izolacji danych i zasilania USB

Wprowadzony w 1996 roku standard uniwersalnej magistrali szeregowej (USB) stał się wiodącą metodą podłączania urządzeń peryferyjnych do komputerów PC. Wraz ze wzrostem szybkości transmisji danych USB w ciągu ostatnich 24 lat z 1,5Mb/s do ponad 20Gb/s, producenci urządzeń probierczych i pomiarowych w również skupili się na sprzęcie testowym bazującym na tym interfejsie i weszli z nim na rynek. Z wszechobecności USB skorzystali również hobbyści, którzy opracowali wiele własnych, unikalnych narzędzi pomiarowych.

Jednak używanie lub projektowanie sprzętu podłączonego do gniazda USB w komputerze stwarza potencjalne niebezpieczeństwo. Podczas gdy testowane urządzenie (DUT) można zasilać z zasilacza buforowego, po podłączeniu do uziemionego komputera mogą pojawić się pętle uziemienia. W rezultacie mogą powstawać poważne różnice potencjałów uziemienia, które mogą powodować uszkodzenia obwodów lub, co gorsza, obrażenia ciała.

Aby uniknąć pętli uziemienia, ścieżki zarówno zasilania, jak i transmisji danych muszą być galwanicznie odizolowane od uziemienia USB komputera. Istnieje kilka opcji izolacji kanałów przesyłu danych w zależności od szybkości transmisji i protokołu. Oprócz tego dostępnych jest wiele strategii izolacji, w tym pojemnościowa, optyczna i elektromagnetyczna.

W niniejszym artykule zdefiniowano izolację galwaniczną oraz opisano wiele różnych technik izolacji USB, a także zalety i wady każdej z nich. Następnie przytoczono rzeczywiste rozwiązania izolacji firm Texas Instruments, Würth Elektronik, ON Semiconductor i Analog Devices, jak również przedstawiono sposoby ich skutecznego stosowania.

Czym jest izolacja galwaniczna?

Zasadniczo izolacja galwaniczna zapobiega przepływowi lub przewodzeniu prądu między co najmniej dwoma oddzielnymi obwodami elektrycznymi, jednocześnie umożliwiając przepływ energii i/lub informacji między nimi.

Dla uproszczenia w tym artykule skupimy się na dwóch oddzielnych obwodach, określanych jako strona pierwotna i strona wtórna. Obwód pierwotny jest zasilany przez USB i współużytkuje dwukierunkowy przepływ danych z komputerem głównym. Obszar oddzielający obwody nazywany jest barierą izolacyjną i jest dobierany tak, aby wytrzymać napięcia przebicia rzędu setek do tysięcy woltów. Zwykle oba obwody oddziela powietrze, dwutlenek krzemu (SiO2), poliimid lub inny materiał nieprzewodzący (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Przykład izolacji galwanicznej między wejściem USB po stronie pierwotnej obwodu i stroną wtórną. Bariera izolacyjna musi wytrzymywać napięcia rzędu setek do tysięcy woltów. (Źródło ilustracji: © Digi-Key Electronics)