Techniques et solutions pour l'isolation des données et de l'alimentation USB

Introduit en 1996, le bus série universel (USB) est devenu la principale méthode pour connecter des périphériques aux PC. Au cours des 24 dernières années, les débits de données USB ont augmenté de 1,5 mégabit par seconde (Mb/s) à plus de 20 gigabits par seconde (Gb/s), et les fabricants d'équipements de test et de mesure, en particulier, en ont tenu compte et ont commercialisé des équipements de test basés sur USB. Les développeurs amateurs ont également profité de l'omniprésence de l'USB et ont développé nombre de leurs propres outils de mesure uniques.

Cependant, un danger potentiel se cache derrière l'utilisation ou la conception d'équipements basés USB et connectés au port USB d'un PC. Bien qu'un dispositif en cours de test (DUT) puisse être alimenté par une alimentation flottante, une fois qu'il est connecté à un PC relié à la terre, des boucles de masse peuvent se produire. En conséquence, de graves différentiels de potentiel de masse peuvent être générés, ce qui peut causer des dommages aux circuits ou, pire encore, des blessures corporelles.

Pour supprimer les connexions de boucle de masse, les voies de communications de données et d'alimentation doivent être isolées galvaniquement de la terre USB du PC. Il existe plusieurs options pour isoler les communications de données en fonction du débit de données et du protocole. En outre, de multiples stratégies d'isolation peuvent être déployées, notamment capacitive, optique et électromagnétique.

Cet article définit l'isolation galvanique avant de décrire les différentes technologies d'isolation USB et les avantages et inconvénients de chacune. Il présente ensuite des solutions d'isolation de Texas Instruments, Würth Elektronik, ON Semiconductor et Analog Devices, et montre comment les appliquer efficacement.

Définition de l'isolation galvanique

À la base, l'isolation galvanique empêche la circulation ou la conduction du courant entre deux ou plusieurs circuits électriques distincts, tout en permettant à l'énergie et/ou aux informations de circuler entre eux.

À des fins de simplification, cet article utilise l'exemple de deux circuits distincts, appelés côté primaire et côté secondaire. Le circuit primaire est alimenté par USB et partage le flux de données bidirectionnel avec un PC hôte. La zone qui sépare les circuits est appelée barrière galvanique et elle est sélectionnée de manière à résister à des tensions de claquage de centaines ou de milliers de volts. En général, de l'air, du dioxyde de silicium (SiO₂), du polyimide ou un autre matériau non conducteur sépare les deux circuits (Figure 1).

Figure 1 : Exemple d'isolation galvanique entre l'entrée USB du côté primaire du circuit et le côté secondaire. La barrière galvanique doit résister à des tensions de centaines et de milliers de volts. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Transfert de données isolé

Comme défini ci-dessus, l'isolation galvanique permet le transfert de données ou d'informations entre des circuits électriques séparés. Mais comment y parvenir sans un certain type de matériau conducteur entre les circuits ? Il existe plusieurs solutions pratiques à ce problème, notamment les technologies optiques, capacitives et électromagnétiques. Chacune de ces approches présente des avantages et des inconvénients, qui sont abordés ci-dessous. Pour le concepteur, la prise en compte des débits de données, des décharges électrostatiques (DES), des interférences et des exigences de puissance sont autant d'éléments qui entrent en jeu lorsqu'il s'agit de décider de la stratégie à utiliser.

Optique : L'une des approches les plus connues de l'isolation est l'isolateur optique ou photocoupleur. L'isolation est obtenue grâce à l'utilisation d'une diode électroluminescente (LED) sur le côté primaire de la barrière galvanique et d'un transistor photosensible sur le côté secondaire. Le FOD817 d'ON Semiconductor est un bon exemple de photocoupleur (Figure 2). Les données sont transmises par la LED qui émet des impulsions lumineuses à travers la barrière galvanique. Les impulsions lumineuses sont reçues par un phototransistor dans une configuration à collecteur ouvert. Lorsque la LED est allumée, la photodiode génère un flux de courant dans le circuit secondaire.

Étant donné que la lumière est utilisée pour le transfert de données, le photocoupleur n'est pas sensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Du point de vue négatif, les taux de transfert de données peuvent être lents car le débit de données est fonction de la vitesse de commutation de la LED. En outre, les photocoupleurs ont tendance à avoir une durée de vie plus courte que les autres technologies en raison de la dégradation des LED au fil du temps.

Figure 2 : Photocoupleur - La LED émet des impulsions lumineuses à travers la barrière galvanique. Les impulsions lumineuses sont reçues par la photodiode et génèrent un flux de courant dans le circuit secondaire. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le FOD817 est un dispositif à un seul canal répertorié jusqu'à 5 kilovolts (kV) RMS CA pendant une minute. Il est constitué d'une LED infrarouge (IR) à arséniure de gallium (GaAs) commandant un phototransistor silicium. Les applications peuvent inclure des régulateurs de puissance et des entrées logiques numériques.

Isolation électromagnétique : C'est peut-être la plus ancienne approche technologique de l'isolation des circuits. Les principes fondamentaux de l'induction électromagnétique sont utilisés pour transférer les données (et l'alimentation, comme nous le verrons plus loin) entre deux bobines. Cette approche a été considérablement améliorée au fil du temps par des entreprises comme Analog Devices avec sa technologie iCoupler. La technologie iCoupler intègre les bobines de transformateur dans un circuit intégré et utilise un substrat en polyimide pour la barrière galvanique.

Les approches électromagnétiques de l'isolation sont plus sensibles aux interférences des champs magnétiques que les photocoupleurs, et elles génèrent leurs propres interférences électromagnétiques potentielles qui doivent être prises en compte lors de la phase de conception du produit. Toutefois, les avantages sont des débits de données plus élevés de 100 Mb/s ou plus et une faible consommation d'énergie.

L'ADuM1250 d'Analog Devices fournit un exemple de ce type de technologie (Figure 3). Ciblant les applications d'isolation des données I²C bidirectionnelles telles que les applications de remplacement à chaud, le dispositif offre un débit de données jusqu'à 1 Mb/s et il est répertorié à 2500 volts (V) RMS pendant une minute selon la norme UL 1577. Il consomme 2,8 milliampères (mA) de courant d'entrée (IDD1) du côté primaire et 2,7 mA de courant du côté secondaire (IDD2) à une tension d'alimentation de 5 V (VDD1 et VDD2). Notez que chaque canal I²C (lignes d'horloge et de données) dans l'ADuM1250 requiert deux transformateurs embarqués pour atteindre la bidirectionnalité.

En général, les données sont transmises entre les bobines de transformateurs selon un schéma de transition de front. De courtes impulsions d'une nanoseconde sont utilisées pour identifier les fronts montant et descendant du signal de données. Le matériel de codage et de décodage est également intégré au dispositif.

Figure 3 : Sur l'isolateur I²C double ADuM1250, chaque ligne I²C requiert deux transformateurs distincts pour réaliser le transfert bidirectionnel des données et de l'horloge. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Isolation capacitive : L'isolation capacitive est obtenue par l'utilisation de condensateurs (Figure 4). En raison des caractéristiques de la technologie capacitive, la tension CC est bloquée par le condensateur, tandis que la tension CA peut circuler librement.

Figure 4 : L'isolation capacitive exploite la caractéristique capacitive consistant à bloquer les signaux CC et à permettre aux signaux CA de traverser la barrière galvanique. (Source de l'image : Texas Instruments)

En utilisant une porteuse haute fréquence (CA) pour le transfert de données à travers le condensateur, les informations peuvent être transmises en utilisant un schéma de modulation tel que la modulation par tout ou rien (OOK). La présence d'une porteuse haute fréquence peut constituer une sortie numérique de zéro (LOW), tandis que l'absence de la porteuse peut signifier un 1 (HIGH) (Figure 5).

Figure 5 : Un schéma de modulation par tout ou rien (OOK) utilise la présence ou l'absence d'un signal de porteuse haute fréquence (CA) délivré à travers la barrière galvanique pour transférer un signal de niveau logique haut (HIGH) ou bas (LOW). (Source de l'image : Texas Instruments)

Comme l'isolation magnétique, les avantages de l'isolation capacitive sont des taux de transfert de données élevés (100 Mb/s ou plus) et une faible consommation d'énergie. Les inconvénients sont notamment une plus grande sensibilité aux interférences des champs électriques.

Un excellent exemple de technologie d'isolation capacitive est l'isolateur numérique à quatre canaux ISO7742 de Texas Instruments, avec une isolation jusqu'à 5000 Vrms Le dispositif se décline en plusieurs configurations selon le sens du flux de données requis. Il a un débit de 100 Mb/s et consomme 1,5 mA par canal. Les applications pour l'ISO7742 incluent les équipements médicaux, les alimentations et l'automatisation industrielle.

Isolation de l'alimentation USB

En étudiant plus attentivement les fiches techniques des composants d'isolation, les concepteurs se rendront rapidement compte que chaque côté du composant d'isolation exige des sources d'alimentation distinctes : une pour le côté primaire et une pour le côté secondaire (VCC1 et VCC2), chacune avec sa référence de masse appropriée pour maintenir la barrière galvanique.

Si la conception envisagée prévoit des sources d'alimentation séparées, USB 5 V du côté primaire et une batterie séparée plus la terre pour alimenter le secondaire, alors tout est satisfaisant. Cependant, si le produit est conçu pour une seule source, disons une entrée USB de 5 V, comment l'alimentation en tension d'isolement secondaire est-elle assurée ? Un convertisseur CC/CC (ou circuit d'attaque de transformateur) et un transformateur d'isolement fournissent la solution. Le convertisseur CC/CC peut être utilisé pour élever ou abaisser la tension, tandis que le transformateur assure l'isolation galvanique.

La Figure 6 montre un exemple d'une telle alimentation isolée utilisant un circuit d'attaque SN6505 de Texas Instruments combiné à un transformateur d'isolement 750315371 de Würth Elektronik (isolation de 2500 Vrms). L'utilisation de la norme USB de 5 V et d'une entrée de 500 mA vers le SN6505 fournit généralement une puissance plus que suffisante pour commander les circuits d'isolation du côté secondaire pour le transfert de données, et éventuellement, d'autres circuits tels que des capteurs. Les deux diodes du côté du circuit secondaire fournissent le redressement sur la sortie. De nombreuses conceptions ajoutent un régulateur à faible chute de tension (LDO) sur le secondaire pour une régulation de tension plus propre.

Figure 6 : Le circuit d'attaque de transformateur SN6505 de Texas Instruments combiné à un transformateur d'isolement 750315371 de Würth Elektronik fournit un chemin d'alimentation isolé pour commander le circuit côté secondaire. (Source de l'image : Texas Instruments)

Un critère supplémentaire pourrait devenir important pour le concepteur : l'espace disponible sur le circuit imprimé. L'utilisation de composants séparés pour l'isolation de l'alimentation et des données peut consommer un espace précieux sur une carte. La bonne nouvelle est qu'il existe des dispositifs qui combinent l'isolation de l'alimentation et des données dans un seul boîtier. Un exemple d'une telle topologie est l'isolateur numérique à deux canaux ADuM5240 d'Analog Devices (Figure 7).

Figure 7 : L'isolateur numérique à deux canaux ADuM5240 d'Analog Devices combine l'isolation de l'alimentation et des données dans un seul dispositif pour économiser de l'espace. (Source de l'image : Analog Devices)

L'ADuM5240 utilise une isolation magnétique basée sur un transformateur pour la transmission de l'alimentation et des données dans un seul boîtier afin de réduire les exigences globales d'espace carte. L'ADuM5240 offre une isolation de 2500 Vrms pendant 1 minute conformément à UL 1577, et un débit de données jusqu'à 1 Mb/s.

Isolation des données USB en amont

Tous les exemples présentés ci-dessus supposent une isolation entre le circuit primaire et le circuit secondaire. Dans les cas où il existe déjà un périphérique conçu sans matériel d'isolation des données, les concepteurs peuvent effectuer l'isolation au niveau de l'interface USB (c'est-à-dire au niveau du câble). Cela pousse effectivement l'isolation des données en amont entre l'hôte USB et le périphérique USB (Figure 8).

Figure 8 : S'il existe déjà un périphérique conçu sans matériel d'isolation des données, les concepteurs peuvent fournir la protection en déplaçant l'isolation des données USB en amont, entre l'hôte USB et le périphérique USB. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Pour implémenter cette approche, les concepteurs peuvent utiliser l'ADuM4160 d'Analog Devices, dont l'isolation est répertoriée à 5000 Vrms pendant 1 minute. Cette solution utilise la même technologie iCoupler que celle mentionnée précédemment, mais l'isolation cible l'interface de données USB (D+ et D-) (Figure 9). Les applications additionnelles pour l'ADuM4160 incluent les dispositifs médicaux et les concentrateurs USB isolés.

Figure 9 : L'ADuM4160 d'Analog Devices fournit une solution d'isolation des lignes de données USB (D+, D-) qui peut être utile lorsqu'il est nécessaire de fournir une isolation au niveau de la connexion de câble USB hôte-périphérique. (Source de l'image : Analog Devices)

Considérations de conception relatives à l'isolation

Comment un concepteur choisit-il la meilleure technologie d'isolation ? Comme mentionné précédemment, de multiples facteurs entrent en jeu lors de la sélection de la technologie adaptée à la tâche à accomplir. Le Tableau 1 présente quelques-uns de ces critères de conception pour les différents types de technologies d'isolation. Comme pour toute conception, il faut s'assurer de bien comprendre les composants utilisés. Rien ne remplace un examen approfondi des fiches techniques et la réalisation de prototypes avec les composants sélectionnés.

Tableau 1 : Il existe quelques facteurs clés à prendre en compte lors de la sélection d'une approche d'isolation, mais il est essentiel que les concepteurs étudient soigneusement les fiches techniques et réalisent des prototypes avec les composants sélectionnés. (Source des données : DigiKey Electronics)

En plus de ceux définis dans le Tableau 1, d'autres facteurs doivent être pris en compte lors du développement de périphériques isolés basés sur USB. Par exemple, il faut calculer le bilan de puissance total requis pour le circuit secondaire. Une puissance suffisante doit être transférée du côté primaire vers le circuit secondaire isolé pour fournir toute la puissance nécessaire non seulement aux composants d'isolation, mais également à tous les autres dispositifs tels que les capteurs, les LED et les composants logiques.

De plus, comme mentionné précédemment, si l'on utilise une solution d'isolation électromagnétique, il faut tenir compte des interférences électromagnétiques potentielles générées par le(s) transformateur(s) lors des tests d'émissions et/ou de l'impact de ces interférences électromagnétiques sur les autres circuits.

Conclusion

L'USB continue son ascension en termes de taux de transfert de données et de capacités d'alimentation. Cependant, lors de la conception de produits avec une interface de données et/ou d'alimentation USB, il est conseillé de tenir compte de l'isolation galvanique des circuits de données et d'alimentation.

Pour réaliser une isolation galvanique, les concepteurs peuvent choisir entre les approches optique, capacitive et électromagnétique après avoir pris en compte de multiples critères, notamment les taux de transfert de données et les interférences électromagnétiques, ainsi que les exigences d'alimentation et d'espace carte. Quelle que soit l'approche choisie, il existe de nombreuses solutions pour aider les concepteurs à garantir à la fois l'intégrité du circuit et la sécurité du concepteur et de l'utilisateur final.