Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160

ghost666 20 Mar 2015 15:35 14034 11
  • Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160

    Funkcja układu i zalety jego wykorzystania

    Interfejs USB jest standardowym interfejsem podłączania peryferiów do komputerów PC. Zastąpił on w tej roli porty szeregowy i równoległy, z uwagi na dużą prędkość, elastyczność i możliwość podłączania układów podczas pracy komputera. Istnieje spory nacisk z kierunku producentów sprzętu medycznego i przemysłowego do korzystania z tego rodzaju interfejsu, jednakże adaptacja jest powolna, gdyż nie istnieją póki co dobre metody izolacji galwanicznej dla USB.

    Układ scalony ADuM4160 zaprojektowany został jako element dedykowany do izolowania interfejsu USB. Jednakże można stworzyć z jego wykorzystaniem także izolujące kable do USB. W takiej aplikacji koniecznie rozwiązać trzeba kilka kwestii. Bufory po obu stronach układu ADuM4160 są w stanie bez problemu sterować kablem, to pamiętać trzeba iż bufory downstream, muszą także mieć możliwość regulacji prędkości peryferiów podłączonych do układu, a port od strony komputera, musi zachowywać się jak układ peryferyjny, z punktu widzenia komputera.

    Odmiennie niż w przypadku budowania dedykowanego izolowanego interfejsu, gdzie prędkość transmisji jest stała i nie zmienia się w czasie pracy, izolowany kabel zapewnić musi pracę układom niskiej i pełnej prędkości USB. Układ ADuM4160 konfiguruje się do pracy z konkretną prędkością z pomocą odpowiednich jego pinów, więc jeśli układ będzie niepoprawnie skonfigurowany nie będzie on funkcjonował np. z interfejsem niskiej prędkości. Dobrze jest połączyć ten układ z kontrolerem huba USB.

    Strona upstreamowa huba może być analizowana, jako standardowy port USB o ustalonej prędkości, który nietrudno izolować można opisywanym układem. Z kolei dalsza transmisja obsługiwana jest przez kontroler huba. Jednakże w wielu przypadkach możliwe jest zastosowanie kabla o stałej prędkości. Jakkolwiek nie jest to zgodne ze standardem USB, to jest to akceptowalne z praktycznego punktu widzenia. W takiej sytuacji nie ma konieczności korzystania z kontrolera. Zaleca się zastosowanie np. innych konektorów w takim interfejsie, aby uniemożliwić przypadkowe podłączenie do niego w pełni zgodnych z interfejsem USB kabli.

    Układ ADuM4160 zapewnia prostą i tanią metodą implementacji izolowanego bufora USB. Wyzwaniem jest stworzenie zasilanego napięciem USB izolatora i sparowanie go z niewielką przetwornicą DC-DC, zapewniającą izolowanie zasilania. Taka izolacja galwaniczna zapewnia szereg funkcji:

    * Izoluje linie przesyłu danych D+ i D-.
    * Implementuje automatyczną kontrolę przesyłu danych i nie wymaga dodatkowej kontroli.




    * Zapewnia izolację spełniającą normy przemysłu medycznego.
    * Jest kompatybilny z przesyłem o niskiej i wysokiej prędkości.
    * Zapewnia izolowane zasilanie poprzez interfejs USB.

    Celem aplikacji, pokazanej na schemacie na rysunku pierwszym, jest izolacja urządzenia z wbudowanym interfejsem USB. Nie jest możliwe stworzenie w 100% zgodnego ze standardem pasywnego izolowanego kabla USB, gdyż nie istnieją izolowane przetwornice o wydajności równej 100%. Dodatkowo pobór prądu przez przetwornicę nie jest zgodny z wymaganiami standardu USB. Oprócz tego istnieją pewne ograniczenia detekcji prędkości przez układ ADuM4160, które powodują, że kabel taki nie jest w 100% zgodny z specyfikacją USB. Mimo to, możliwe jest zastosowanie go w dedykowanych interfejsach, co pozwoli na zapewnienie izolacji (nie w pełni) zgodnej z interfejsem USB.

    Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160
    Rysunek 1. Schemat izolatora interfejsu USB


    Opis układu

    Zasilanie dla strony układu od strony komputera pobierane jest z napięcia 5 V w kablu USB. Napięcie to zasila układ ADuM5000, który to generuje napięcie VBUS2, zasilające układ ADuM4160 od strony hosta i dające około 100 mA dla peryferiów. Przetwornica ADuM5000 wybrana została z uwagi na niewielki rozmiar i duże napięcie przebicia. Dostarczany przez nią prąd wystarcza w zupełności do zasilenia niewielkich urządzeń, takich jak klawiatura, mysz czy pendrive. Z uwagi na fakt, że komponent ten wykorzystuje zintegrowane w układzie transformatory, częstotliwość kluczowania prądu w układzie jest niezwykle wysoka. Konieczne jest zadbanie o minimalizację wypromieniowanego pola elektrycznego.

    Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160
    Rysunek 2. Zdjęcie izolatora interfejsu USB w kablu.


    Izolowany kabel USB, oparty o ADuM4160 posiada szereg opcji jeśli chodzi o zasilanie, prędkość czy ochronę przed wyładowaniami ESD. Peryferia USB działać mogą z trzema prędkościami - niską (1,5 Mbps), pełną (12 Mbps) i wysoką (480 Mbps). Największa prędkość nie jest wspierana przez układ ADuM4160 - blokuje on operacje inicjalizacji przy tej prędkości. Jako że inicjacja realizowana jest pełną prędkością, a procedura zwiększenia jej do pełnej prędkości zostaje przez układ zablokowana to całą transmisja realizowana będzie wtedy z pełną prędkością.

    Zasilanie do omawianego układu dostarczane jest poprzez piny VBUSx. Napięcie sygnałowe 3,3 V stabilizowane jest wewnętrznie w układzie, ale możliwe jest zapewnianie go z innego źródła. W układzie pokazanym na rysunku 1 wykorzystane są wewnętrzne stabilizatory ADuM4160, pobierające prąd z linii 5 V.

    ADuM4160 wyposażony jest w możliwość opóźniania informacji o podłączeniu urządzenia do kabla. Funkcja ta kontrolowana jest poprzez wejście PIN w układzie. W omawianej aplikacji pin PIN zwarty jest do zasilania, co powoduje, że informacja o podciągnięciu do zasilania linii danych przez peryferia jest przekazywana dalej natychmiastowo.

    W układzie wykorzystano szereg zabezpieczeń. Elementy dobrane zostały w taki sposób, aby możliwe było zastąpienie ich zworami, jeśli nie chcemy z nich korzystać. Wybór środków ochrony układu, zależny jest od konkretnej aplikacji interfejsu i wymogom co do ochrony. Kabel zapewnia pełną izolację galwaniczną do 2,5 kV. Przyszłe układy scalone, planowane przez Analog Devices, zapewnić mają izolację do 5 kV.

    Na rysunku trzecim pokazane są przebiegi elektryczne w liniach danych. Testy pokazują, że przebiegi są w pełni zgodne z normami USB.

    Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160
    Izolator interfejsu USB na układzie ADuM4160
    Rysunek 3. Przebiegi elektryczne na liniach D- i D+ interfejsu USB.


    Źródło:

    http://www.analog.com/en/design-center/refere...s-from-the-lab/cn0159.html#rd-evaluationNtest


    Fajne! Ranking DIY
  • #4 29 Mar 2015 13:26
    Przemo1268
    Poziom 19  

    Układ jest strasznie drogi biorąc pod uwagę zastosowanie w urządzeniach komercyjnych. Taniej wyjdzie zrobić komunikację USB na oddzielnym procesorze za 1,5$ + dwa transoptory (zasilanie procesora z portu USB) niż kupować układ wart 6$ przy ilości 1k sztuk. Rozwiązanie jak na razie nieekonomiczne. Chyba, że ktoś potrzebuje to do istniejącego rozwiązania.

  • #5 30 Mar 2015 15:35
    Morpheusss
    Poziom 15  

    W urządzeniach komercyjnych nikt nie będzie się bawić w dodawanie kolejnego procesora, tym bardziej że dochodzi kolejny element do zaprogramowania, PCB staje się dużo większe i przepustowość komunikacji spada dramatycznie. Podaj transoptor którym przepchniesz 480Mbps. Owszem, są izolatory na takie częstotliwości, ale są na tyle drogie, że Twój pomysł traci sens ;)
    Izolacja USB jest przeważnie potrzebna w zastosowaniach przemysłowych, a te mają być przede wszystkim niezawodne. Praktyka podpowiada mi, że takie oszczędzanie prędzej czy później się zemści. Sam korzystam z tego scalaka i jak na wyprodukowane 200szt urządzeń ani jednej awarii.

  • #6 30 Mar 2015 22:38
    Przemo1268
    Poziom 19  

    Wszystko zależy od tego, do czego wykorzystujesz USB i z jaką prędkością. Jeżeli wysyłasz tylko wartości pomiarów w klasie HID to transoptory w zupełności wystarczą. Odnośnie miejsca na PCB - i jedno i drugie rozwiązanie będzie go wymagało :) Czy będziesz stosował separację USB czy nie i tak będzie potrzeba implementacji USB w firmware. Nie wszyscy potrzebują pełnych 480Mbit transferu. W moim przypadku nie widzę żadnego uzasadnienia co do stosowania gotowego separatora. Co nie znaczy, że taki separator jest nikomu niepotrzebny.

  • #7 30 Mar 2015 22:54
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Transoptory są super, jeśli chcemy izolować linie danych, a co z izolacją linii zasilania? Kabel z pierwszego postu ma w sobie scaloną, izolowaną przetwornicę DC/DC jeszcze...

  • #8 30 Mar 2015 22:57
    Przemo1268
    Poziom 19  

    Przecież masz dostępne zasilanie z portu USB którym zasilasz procesor komunikacyjny. Reszta obwodu i tak musi mieć własne zasilanie.

  • #9 30 Mar 2015 22:58
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Standard USB wymaga doprowadzenia do urządzenia zasilania, nie? ja podepnę je z portu to nie ma izolacji, więc możesz napisać jaśniej co ma mieć osobne zasilanie?

  • #10 30 Mar 2015 23:03
    Przemo1268
    Poziom 19  

    Procesor, który ma się komunikować poprzez port USB zasilasz z portu. Jest to oddzielny obwód, który jest odseparowany galwanicznie od reszty urządzenia. Do przesyłania danych pomiędzy układem a procesorem komunikacyjnym stosujesz np. dwa transoptory i komunikujesz się za pomocą USART. Podobne rozwiązania od dawna są stosowane. Wszystko zależy od tego, jakie masz wymagania co do transferu oraz jaki budżet masz przeznaczony na zrealizowanie projektu.

  • #11 05 Kwi 2015 20:59
    999602
    Użytkownik usunął konto  
  • #12 05 Kwi 2015 21:50
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    kikiz napisał:
    ghost666 napisał:
    Transoptory są super, jeśli chcemy izolować linie danych, a co z izolacją linii zasilania? Kabel z pierwszego postu ma w sobie scaloną, izolowaną przetwornicę DC/DC jeszcze...


    No właśnie transoptor to kwestia 16 gr, potrzebne są 2.
    Przetwornica DC/DC flyback to kwestia dwóch cewek za jakieś 60 gr łącznie, tranzystora za 15 gr i sterownika 1 zł ?
    Więc w produkcji masowej taką izolację realizujemy za ok. 2 zł.

    Jeszcze mam pytanie odnośnie takiej ilości przelotek, po co ? Tylko po to żeby ekranować z zewnątrz ?


    W Interfejsie USB transoptory się nie sprawdzą, to raz. Dwa - jakie parametry trzyma taka przetwornica? jak ze stabilizacją napięci na wyjściu no i jak jest jej wydajność? Obawiam się że bardzo mała, a tutaj jej wysokość jest niesamowicie istotna.

    Co do przelotek, to chodzi głównie o minimalizację emisji EMI, jeśli interesuje Cię ten temat w zakresie układów serii ADuM, to tutaj znajdziesz więcej informacji - https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=12342653