Izolacja linii zasilania i danych w komunikacji USB

Postępujący na przestrzeni lat wzrost dostępnych prędkości transferu danych oferowanych przez standard USB spowodował wzrost zainteresowania tym rozwiązaniem wśród producentów sprzętu pomiarowego oraz laboratoryjnego. Korzystanie z tego typu urządzeń niesie ze sobą jednak pewne ryzyko – badany układ może być zasilany wysokim napięciem, może nie być również podpięty do uziemienia. Po połączeniu przewodem USB z komputerem PC (zasilanym z sieci) istnieje niebezpieczeństwo powstania pętli masy, to zaś może doprowadzić do uszkodzenia obwodów elektrycznych, a także ryzyka odniesienia obrażeń przez użytkowników. Aby uniemożliwić powstawanie pętli masy, wszystkie linie interfejsu USB (zasilania oraz danych) powinny być izolowane galwanicznie. Istnieje kilka sposobów realizacji tego zadania – najpopularniejsze z nich przedstawione zostaną w dalszej części tekstu.

Czym jest izolacja galwaniczna?

Izolacja galwaniczna polega na zapobieżeniu przepływu ładunków elektrycznych (prądu elektrycznego) pomiędzy dwoma lub więcej odseparowanymi od siebie obwodami elektrycznymi, przy zapewnieniu możliwości przepływu pomiędzy nimi energii i/lub informacji.

W celu uproszczenia zagadnienia w tekście omawiany będzie jedynie przypadek izolacji galwanicznej pomiędzy dwoma obwodami, określanymi jako obwód pierwotny oraz wtórny. Za obwód pierwotny uznawane będzie urządzenie peryferyjne, zaś obwód wtórny to komputer PC. Obszar oddzielający oba te obwody określa się mianem bariery izolacyjnej. Barierę izolacyjną konstruuje się w taki sposób, aby była w stanie wytrzymać różnice napięć sięgające setek lub tysięcy woltów, w zależności od potrzeb aplikacji. Do jej konstrukcji wykorzystuje się materiały takie jak powietrze, dwutlenek krzemu, tworzywa sztuczne lub inne substancje nieprzewodzące prądu elektrycznego. Działanie izolacji galwanicznej przedstawiono w sposób uproszczony na rysunku 1.

 

Rys. 1. Przykład działania izolacji galwanicznej pomiędzy dwoma stronami komunikacji USB

Izolowany transfer danych

Jak już wspomniano, izolacja galwaniczna pozwala na transfer danych pomiędzy odseparowanymi od siebie obwodami. Jak zrealizować taką komunikację? Istnieje kilka możliwości, do najpowszechniej wykorzystywanych zaliczyć można metody optyczne, pojemnościowe oraz elektromagnetyczne. Każda z nich ma swoje wady i zalety, przez co lepiej lub gorzej nadaje się do określonych aplikacji. W przypadku wyboru sposobu zapewnienia izolacji galwanicznej uwzględnić należy m.in. takie aspekty, jak prędkość transferu danych czy wymagania mocowe.

Izolacja optyczna

Jednym z najpowszechniejszych sposobów zapewnienia izolowanego transferu danych jest wykorzystanie izolatora optycznego (optoizolatora/transoptora). Izolacja osiągana jest poprzez zastosowanie diody LED po stronie pierwotnej oraz fotodetektora po stronie wtórnej. Informacja transmitowana jest za pomocą impulsów świetlnych, emitowanych przez diodę i odbieranych przez detektor.

Ze względu na to, że do transferu informacji wykorzystywany jest sygnał świetlny, optoizolator nie jest podatny na wpływ zaburzeń elektromagnetycznych. Wadą tego rozwiązania jest stosunkowo mała prędkość transferu danych, uzależniona od czasu przełączania diody LED. Optoizolatory charakteryzują się ponadto krótszym czasem życia niż izolatory wykonane w innych technologiach, ponieważ komponenty fotoelektryczne są bardziej podatne na starzenie.

 

Rys. 2. Optoizolator do transferu danych wykorzystuje sygnał świetlny

Izolacja elektromagnetyczna

Izolacja elektromagnetyczna jest prawdopodobnie jedną z najstarszych technologii izolowanego transferu danych. Podstawowym elementem tego rozwiązania jest transformator. Wraz z rozwojem technologii kształt i rozmiary transformatorów uległy znaczącym przemianom – obecnie zamiast dużych elementów wykonanych ze stalowego rdzenia oraz miedzianych przewodów spotkać można niewielkie komponenty planarne osadzone w strukturze układów scalonych.

Izolatory elektromagnetyczne są dość wrażliwe na obecność zakłóceń elektromagnetycznych, generują też własne zaburzenia EM, co może wpłynąć negatywnie na kompatybilność elektromagnetyczną produktu. Do ich niewątpliwych zalet należy jednak duża szybkość transferu danych (rzędu setek Mbit/s) oraz energooszczędność.

Przykładowy układ tego typu przedstawiono na rysunku 3. Przeznaczony jest do izolacji linii interfejsu I²C. Warto zauważyć, że do zapewnienia dwukierunkowego transferu danych na jednej linii konieczne jest zastosowanie dwóch transformatorów, zaś przed przesłaniem danych przez transformator podlegają one odpowiedniemu kodowaniu po stronie pierwotnej, następnie zaś dekodowaniu po stronie wtórnej.

 

Rys. 3. Izolator elektromagnetyczny do transferu danych wykorzystuje transformator

Izolacja pojemnościowa

Izolacja pojemnościowa polega na wykorzystaniu kondensatora jako bariery izolacyjnej. Umożliwia on przepływ sygnału zmiennoprądowego, jednocześnie blokując sygnał stałoprądowy. Dzięki wykorzystaniu wysokiej częstotliwości nośnej oraz odpowiedniego sposobu modulacji możliwy jest efektywny transfer danych z dużą prędkością oraz przy niskim zużyciu energii elektrycznej. Wadą tego typu rozwiązań jest niewątpliwie podatność na zaburzenia elektromagnetyczne.

 

Rys. 4. Izolator pojemnościowy do transferu danych wykorzystuje kondensator

Izolacja zasilania

Przy bliższym przyjrzeniu się schematom układów izolatorów zauważyć można, że wymagają one dwóch oddzielnych źródeł zasilania – osobno dla obwodu pierwotnego oraz wtórnego. Jeśli projekt zakłada istnienie dwóch odseparowanych źródeł zasilania w systemie (np. urządzenie peryferyjne zasilane jest bateryjnie), to sytuacja jest prosta i nie ma żadnego problemu. Jeśli jednak z pewnych względów w systemie występować może tylko jedno źródło zasilania, wtedy należy znaleźć sposób na dostarczenie sygnału zasilania przez barierę izolacyjną. Jednym z powszechniej stosowanych rozwiązań jest użycie przetwornicy DC-DC oraz transformatora, czego przykład przedstawiono na rysunku 5.

 

Rys. 5. Izolację sygnału zasilania można osiągnąć za pomocą obwodu zbudowanego m.in. z wykorzystaniem przetwornicy oraz transformatora

Rozwiązanie to wymaga stosowania kilku różnych komponentów, co przekłada się na zajętość większej powierzchni płytki drukowanej. Jeśli rozmiar PCB jest istotnym aspektem projektu, alternatywę stanowią układy izolatorów integrujące w swojej strukturze izolację linii danych oraz zasilania, tak jak przedstawiono na rysunku 6.

 

Rys. 6. W ofercie rynkowej można znaleźć także gotowe układy zapewniające jednoczesną izolację linii danych oraz zasilania

Izolacja przewodu USB

W sytuacji, gdy chcemy zapewnić izolację galwaniczną pomiędzy dwoma już istniejącymi urządzeniami, modyfikacja konstrukcji któregokolwiek z nich w celu dodania obwodu izolującego może być mocno kłopotliwa. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie przewodu połączeniowego wyposażonego w barierę izolacyjną. W ofercie rynkowej znaleźć można gotowe układy przeznaczone do izolacji galwanicznej interfejsu USB (jak również innych standardów komunikacyjnych). Przykład jednego z nich przedstawiono na rysunku 7.

 

Rys. 7. Istnieją również gotowe izolatory przeznaczone do określonych standardów komunikacyjnych, np. interfejsu USB. Świetnie nadają się do konstrukcji izolowanych przewodów połączeniowych

Podsumowanie

Wybór optymalnego rodzaju izolatora zależy od potrzeb projektowanej aplikacji. Krótkie podsumowanie charakterystyk każdej z omawianych technologii przedstawiono w tabeli 1. Na uwadze należy mieć również dodatkowe aspekty, takie jak wymagana moc urządzenia peryferyjnego (jeśli ma być zasilane za pomocą interfejsu USB).

Bez względu na wybór technologii izolacji, galwaniczna separacja pomiędzy dwoma urządzeniami komunikującymi się za pomocą standardu USB pozwala na zwiększenie niezawodności połączenia oraz bezpieczeństwa jego użytkowników.

Damian Tomaszewski