Tecniche e soluzioni per l'isolamento dell'alimentazione e dei dati USB

Introdotto nel 1996, il bus seriale universale (USB) è diventato il metodo principale per collegare le periferiche ai PC. Con l'aumento della velocità dei dati USB negli ultimi 24 anni da 1,5 Mbit/s a oltre 20 Gbit/s, i produttori di strumentazione di test e misurazione in particolare hanno preso nota e hanno lanciato sul mercato apparecchiature dotate di USB. Gli hobbisti hanno anche approfittato dell'ubiquità dell'USB e hanno sviluppato molti strumenti di misurazione unici.

Tuttavia, c'è un potenziale pericolo in agguato quando si usa o si progetta un'attrezzatura basata su USB collegata alla porta USB di un PC. Mentre un dispositivo sotto test (DUT) può essere alimentato da un'alimentazione flottante, una volta che è collegato a un PC con messa a terra, possono entrare in gioco gli anelli di massa. Di conseguenza, si possono generare gravi differenziali del potenziale di terra che possono causare danni al circuito o, peggio, lesioni personali.

Per sradicare le connessioni degli anelli di massa, entrambi i percorsi di alimentazione e di comunicazione dati devono essere isolati galvanicamente dal collegamento a massa USB del PC. Ci sono diverse opzioni per isolare le comunicazioni di dati a seconda della velocità dei dati e del protocollo. Inoltre, possono essere implementate diverse strategie di isolamento, tra cui quelle capacitive, ottiche ed elettromagnetiche.

Questo articolo definisce l'isolamento galvanico prima di descrivere molte delle tecnologie di isolamento USB e i pro e i contro di ciascuna. Introdurrà quindi le soluzioni di isolamento del mondo reale di Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor e Analog Devices e mostrerà come applicarle efficacemente.

Che cos'è l'isolamento galvanico?

L'isolamento galvanico impedisce il flusso di corrente o la conduzione tra due o più circuiti elettrici separati, pur permettendo all'energia e/o alle informazioni di passare tra di loro.

Per motivi di semplificazione, questo articolo si concentrerà su due circuiti separati, denominati lato primario e lato secondario. Il circuito primario è alimentato da USB e condivide il flusso di dati bidirezionale con un PC host. La regione che separa i circuiti è chiamata barriera di isolamento ed è selezionata per resistere a tensioni di rottura da centinaia a migliaia di volt. Tipicamente, l'aria, il biossido di silicio (SiO₂), il poliimmide o altro materiale non conduttivo separa i due circuiti (Figura 1).

Figura 1: Un esempio di isolamento galvanico tra l'ingresso USB sul lato primario del circuito e il lato secondario. La barriera di isolamento deve resistere a tensioni da centinaia a migliaia di volt. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Trasferimento dati isolato

Come definito sopra, l'isolamento galvanico permette il trasferimento di dati o informazioni tra i circuiti elettrici separati. Ma come lo si può ottenere senza un materiale conduttore tra i circuiti? Ci sono diverse soluzioni pratiche a questo problema, tra cui tecnologie ottiche, capacitive ed elettromagnetiche. Ciascuno di questi approcci comporta vantaggi e svantaggi, come discusso di seguito. Per il progettista, la considerazione della velocità dei dati, scariche elettrostatiche (ESD), interferenza e i requisiti di potenza entrano tutti in gioco quando si decide quale strategia usare.

Ottico: uno degli approcci più noti all'isolamento è l'isolatore ottico o optoisolatore (o optoaccoppiatore). L'isolamento è ottenuto attraverso l'uso di un diodo a emissione luminosa (LED) sul lato primario della barriera di isolamento e un fototransistor sul lato secondario. FOD817 di ON Semiconductor è un buon esempio di optoisolatore (Figura 2). I dati vengono trasmessi utilizzando impulsi di luce attraverso la barriera di isolamento dal LED, che vengono ricevuti dal fototransistor in una configurazione a collettore aperto. Quando il LED è acceso, il fotodiodo genera un flusso di corrente nel circuito secondario.

Dato che si utilizza la luce per il trasferimento dei dati, l'optoisolatore non è suscettibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Il lato negativo è che le velocità di trasferimento dei dati possono essere basse perché la velocità dei dati è una funzione della velocità di commutazione del LED. Inoltre, gli optoisolatori tendono a durare meno rispetto ad altre tecnologie a causa della degradazione dei LED nel tempo.

Figura 2: Optoisolatore - il LED emette impulsi di luce attraverso la barriera di isolamento che vengono ricevuti dal fotodiodo e generano un flusso di corrente nel circuito secondario. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

FOD817 è un dispositivo a canale singolo classificato fino a 5 kVrms c.a. per un minuto. Comprende un LED a infrarossi (IR) all'arseniuro di gallio (GaAs) che comanda un fototransistor al silicio. Le applicazioni possono includere regolatori di potenza e ingressi logici digitali.

Isolamento elettromagnetico: questo è forse il più antico approccio tecnologico all'isolamento dei circuiti. I principi base dell'induzione elettromagnetica sono applicati per trasferire dati (e potenza, come discusso più avanti) tra due bobine. Questo approccio è stato notevolmente migliorato nel tempo da aziende come Analog Devices con la sua tecnologia iCoupler, che incorpora le bobine del trasformatore all'interno di un circuito integrato e utilizza un substrato di poliimmide per la barriera di isolamento.

Gli approcci elettromagnetici all'isolamento sono più suscettibili alle interferenze dei campi magnetici rispetto agli optoisolatori e generano un loro potenziale EMI che può essere necessario affrontare nella fase di progettazione del prodotto. Tuttavia, i vantaggi sono una maggiore velocità di dati di 100 Mbit/s o più e un basso consumo energetico.

ADuM1250 di Analog Devices è un esempio di questo tipo di tecnologia (Figura 3). Destinato ad applicazioni bidirezionali di isolamento dei dati I²C come le applicazioni di sostituzione a caldo, il dispositivo offre una velocità di trasmissione dati fino a 1 Mbit/s ed è classificato a 2500 V rms per un minuto ai sensi UL 1577. Assorbe 2,8 mA di corrente in ingresso (IDD1) sul lato primario e 2,7 mA di corrente sul lato secondario (IDD2) con una tensione di alimentazione di 5 V (VDD1 e VDD2). Si noti che ogni canale I²C (linee di clock e dati) in ADuM1250 richiede due trasformatori incorporati per ottenere la bidirezionalità.

Tipicamente, i dati sono trasmessi tra le bobine del trasformatore usando uno schema di transizione sul fronte. Brevi impulsi di un nanosecondo sono utilizzati per identificare i fronti iniziale e finale del segnale dati. Anche l'hardware di codifica e decodifica è integrato nel dispositivo.

Figura 3: Sul doppio isolatore I²C ADuM1250, ogni linea I²C richiede due trasformatori distinti per ottenere il trasferimento bidirezionale dei dati e del clock. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Isolamento capacitivo: l'isolamento capacitivo si ottiene attraverso l'uso di condensatori (Figura 4). A causa delle caratteristiche della tecnologia capacitiva, la tensione c.c. è bloccata dal condensatore, mentre la tensione c.a. può scorrere liberamente.

Figura 4: L'isolamento capacitivo sfrutta la caratteristica capacitiva di bloccare i segnali c.c. e permettere ai segnali c.a. di scorrere attraverso la barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Usando una portante ad alta frequenza (c.a.) per il trasferimento dei dati attraverso il condensatore, l'informazione può essere passata mediante uno schema di modulazione come la polarizzazione on-off (OOK). La presenza di una portante ad alta frequenza potrebbe costituire un'uscita digitale di zero (LOW) e la sua assenza significherebbe un uno (HIGH) (Figura 5).

Figura 5: Uno schema di polarizzazione on-off (OOK) utilizza la presenza o l'assenza di un segnale portante ad alta frequenza (c.a.) consegnato attraverso la barriera di isolamento per trasferire un segnale di livello logico HIGH o LOW. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Come l'isolamento magnetico, i vantaggi dell'isolamento capacitivo sono le alte velocità di trasferimento dati (100 Mbit/s o superiore) e il basso consumo energetico. Gli svantaggi includono una maggiore suscettibilità alle interferenze del campo elettrico.

Un buon esempio di tecnologia di isolamento capacitivo è l'isolatore digitale a quattro canali ISO7742 di Texas Instruments con isolamento fino a 5000 V rms. Il dispositivo è disponibile in diverse configurazioni a seconda della direzione richiesta del flusso di dati. Ha una velocità di dati di 100 Mbit/s e consuma 1,5 mA per canale. Le applicazioni di ISO7742 includono apparecchiature medicali, alimentatori e automazione industriale.

Isolamento dell'alimentazione USB

Prestando molta attenzione alle schede tecniche dei componenti di isolamento, i progettisti si renderanno presto conto che ogni lato del componente di isolamento richiede fonti di alimentazione separate: una per il lato primario e una per il lato secondario (VCC1 e VCC2), ognuna con il loro rispettivo riferimento di terra per mantenere la barriera di isolamento.

Se il progetto in esame ha fonti di alimentazione separate, USB 5 V sul lato primario e una batteria separata più la terra per alimentare il secondario, va tutto bene. Tuttavia, se il prodotto è progettato per una singola fonte, ad esempio solo un ingresso USB da 5 V, allora come viene fornita la tensione secondaria di isolamento? Un convertitore c.c./c.c. (o driver trasformatore) e un trasformatore di isolamento sono la soluzione. Il convertitore c.c./c.c. può essere utilizzato per aumentare o diminuire la tensione, mentre il trasformatore fornisce l'isolamento galvanico.

Un esempio di un tale alimentatore isolato è mostrato nella Figura 6 usando un driver SN6505 di Texas Instruments combinato con un trasformatore di isolamento 750315371 di Würth Elektronik (2500 V rms di isolamento). L'utilizzo dello standard USB da 5 V e 500 mA in ingresso a SN6505 fornisce tipicamente una potenza più che sufficiente per pilotare i circuiti di isolamento sul lato secondario per il trasferimento dei dati, così come eventuali altri circuiti come i sensori. I due diodi sul lato del circuito secondario forniscono il raddrizzamento in uscita. Molti progetti aggiungono un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) sul secondario per una regolazione più pulita della tensione.

Figura 6: Il driver trasformatore SN6505 di Texas Instruments combinato con un trasformatore di isolamento 750315371 di Würth Elektronik fornisce un percorso di alimentazione isolato per pilotare i circuiti secondari. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Un ulteriore criterio che potrebbe diventare importante per il progettista è lo spazio disponibile sulla scheda a circuiti stampati (PCB). L'uso di componenti separati per l'alimentazione e l'isolamento dei dati può occupare spazio prezioso su una scheda. La buona notizia è che ci sono dispositivi che combinano sia la potenza che l'isolamento del trasferimento dati in un unico contenitore. Un esempio di tale topologia è l'isolatore digitale a due canali ADuM5240 di Analog Devices (Figura 7).

Figura 7: L'isolatore digitale a due canali ADuM5240 di Analog Devices combina l'isolamento dell'alimentazione e dei dati in un unico dispositivo per risparmiare spazio. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADuM5240 utilizza l'isolamento magnetico basato su trasformatore sia per la trasmissione di alimentazione che dei dati in un unico contenitore per ridurre i requisiti di spazio sulla scheda CS. ADuM5240 fornisce un isolamento di 2500 V rms per 1 minuto ai sensi UL 1577 e una velocità dati fino a 1 Mbit/s.

Isolamento dei dati USB a monte

Tutti gli esempi mostrati sopra presuppongono un isolamento tra il circuito primario e quello secondario. Nei casi in cui esiste già una periferica progettata senza hardware di isolamento dei dati, i progettisti possono fornire l'isolamento all'interfaccia USB (cioè sul cavo). Questo spinge effettivamente l'isolamento dei dati a monte tra l'host USB e la periferica USB (Figura 8).

Figura 8: Se esiste già una periferica progettata senza hardware di isolamento dei dati, i progettisti possono comunque fornire protezione spostando l'isolamento dei dati USB a monte, tra l'host USB e la periferica USB. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Per implementare questo approccio, i progettisti possono utilizzare ADuM4160 di Analog Devices con isolamento di 5000 V rms per 1 minuto. Questa soluzione utilizza la stessa tecnologia iCoupler discussa sopra ma l'isolamento è mirato all'interfaccia dati USB (D+ e D-) (Figura 9). Ulteriori applicazioni per ADum4160 includono hub USB isolati e dispositivi medici.

Figura 9: ADuM4160 di Analog Devices fornisce una soluzione di isolamento della linea dati USB (D+, D-) che può essere utile quando è necessario fornire un isolamento alla connessione del cavo host-periferica USB. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Considerazioni progettuali per l'isolamento

Come fa un progettista a scegliere la migliore tecnologia di isolamento? Come menzionato sopra, entrano in gioco molteplici fattori per selezionare la tecnologia giusta per il lavoro da svolgere. La tabella 1 mostra alcuni di questi criteri di progettazione attraverso i diversi tipi di tecnologie di isolamento. Come per qualsiasi progetto, si dovrebbe prestare attenzione a conoscere appieno i componenti utilizzati. Non dimenticare di studiare da vicino le schede tecniche e di realizzare prototipi con i componenti selezionati.

Tabella 1: Ci sono alcuni fattori chiave da considerare quando si sceglie un approccio di isolamento ma è fondamentale che i progettisti studino attentamente le schede tecniche e realizzino prototipi con i componenti selezionati. (Dati per gentile concessione di DigiKey)

Altri fattori oltre a quelli definiti nella tabella 1 vanno considerati quando si sviluppano periferiche isolate basate su USB. Ad esempio, bisogna calcolare la potenza disponibile totale richiesta per la circuiteria secondaria. Una potenza sufficiente deve essere trasferita dal lato primario al circuito secondario isolato per fornire tutta la potenza necessaria non solo ai componenti di isolamento ma anche a qualsiasi altro dispositivo come sensori, LED e componenti logici.

Inoltre, come menzionato sopra, se si utilizza una soluzione di isolamento elettromagnetico, il potenziale EMI generato dal trasformatore (o dai trasformatori) deve essere preso in considerazione nei test delle emissioni e/o nell'impatto delle EMI su altri circuiti.

Conclusione

L'USB continua a crescere in termini di velocità di trasferimento dati e di capacità di alimentazione. Tuttavia, quando si progettano prodotti con alimentazione USB e/o interfacciamento dati, è prudente tenere in mente l'isolamento galvanico dei dati e dei circuiti di alimentazione.

Per ottenere l'isolamento galvanico, i progettisti possono scegliere tra approcci ottici, capacitivi ed elettromagnetici dopo aver preso in considerazione diversi criteri, tra cui la velocità di trasferimento dati e le EMI, così come la potenza e i requisiti di spazio della scheda. Indipendentemente dalla scelta, sono disponibili molte soluzioni per aiutare i progettisti a garantire sia l'integrità del circuito che la sicurezza del progettista e dell'utente finale.