. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Referenční návrh USB izolátoru
20. června 2014 - 7:44 | Pandatron | Referenční návrh USB izolátoru | Komentářů: 0  

Referenční návrh USB izolátoru

Návrh a konstrukce USB izolátoru, vhodného pro použití i v průmyslových a lékařských zařízeních. Základem je obvod ADuM4160 společnosti Analog Devices, doplněný o izolovaný DC/DC konvertor.

Univerzální sériové rozhraní – USB (Universal Serial Bus) se rychle rozšířilo do všech počítačů, notebooků, tabletů i chytrých telefonů a dnes jako standard prakticky zcela vytlačilo sériové rozhraní RS-232 i paralelní port tiskárny. Důvod je jednoduchý – vysoká rychlost (5 Gbit/s), flexibilita i podpora hot-swap a plug-and-play zařízení. Velký zájem se samozřejmě promítl i do průmyslových a lékařských přístrojů, bohužel zde je situace komplikovanější a širšímu použití tohoto univerzálního rozhraní brání především obtížné provedení izolace speciálních zařízení typu vysokonapěťových defibrilátorů apod.


Obr. 1: Typické propojení počítače a USB zařízení

Obvody ADuM4160, které jsme již dříve představili například článkem Co je a co nabízí iCoupler a následně i Jednočipový USB izolátor, jsou speciálně určeny pro použití jako izolační prvky pro periferní zařízení s rozhraním USB. Nicméně ne vždy se jedná o zcela samostatné zařízení a v řadě případů je výhodnější použít izolovaný kabel, který je schopen zajistit i převod napájecího napětí. Takovým hlavním příkladem použití mohou být různé USB/RS-232(485) převodníky apod. Výhodou obvodů je symetrické provedení budičů na obou stranách, takže lze obvod použít jak pro full-speed, tak i low-speed zařízení. Není však třeba zdůrazňovat, že na jedné straně se obvod musí chovat jako USB zařízení a na druhé pak jako USB Host.


Obr. 2: Vnitřní blokové schéma obvodu ADuM4160

Na rozdíl od výše uvedených, jednoúčelových zařízení, které používají jedinou přenosovou rychlost, pro kterou jsou zároveň navržené, nemusíme v případě izolačního USB kabelu rychlost připojeného zařízení vůbec znát a kabel se musí umět přizpůsobit. Bohužel, obvody ADuM4160 potřebují na svých pinech vždy pevně nastavit požadovanou konfiguraci ještě před připojením daného zařízení a pokud v případe Full-speed konfigurace dojde k připojení zařízení, podporujícího například pouze Low-speed, má obvod problém s jeho enumerací. Nejlepším způsobem, jak to lze podle výrobce řešit, je použití ADuM4160 ve spojení s obvodem USB rozbočovače.


Obr. 3: Typické USB zařízení s obvodem ADuM4160

Výstupní strana USB rozbočovače využívá stále stejné rychlosti, nezávisle na připojeném zařízení, což nám v případě izolace obvodem ADuM4160 výrazně zjednoduší práci. Dalším možným řešením je také použití speciálních konektorů. Pokud netrváme na tom, aby zařízení používalo standardní USB konektory, můžeme volbou některé ze speciálních alternativ zamezit připojení USB izolátoru k nevhodnému zařízení. V tom případě je pak USB HUB možné samozřejmě zcela vynechat a celý obvod izolátoru se zjednoduší.

Obvody ADuM4160 poskytují levné a snadno použitelné řešení izolace i v případě lékařských a průmyslových systémů. Změnu rychlosti lze na kabelu vyřešit například malým přepínačem a jediný problém, který zde máme, je izolace napájecího napětí. Ten vyřeší libovolný malý izolovaný DC/DC konvertor, jako je například ADuM5000.


Obr. 4: Vnitřní blokové schéma obvodu ADuM5000

Základní vlastnosti izolačního USB kabelu:

  • Kompletní izolace napájení i USB D+ a D- linek
  • Implementace automatického řízení datového toku, bez nutnosti použití externího řízení
  • Úroveň izolace splňuje i přísné požadavky na lékařská zařízení
  • Podporuje jak Full-speed, tak i levnější Low-speed zařízení

Na následujícím obrázku je kompletní schéma zapojení izolovaného USB kabelu. Je však nutné upozornit na to, že napájecí konvertor nemá samozřejmě účinnost 100%, takže při maximálním proudu 500 mA na straně PC není možné i na straně zařízení dosáhnout plného výkonu. Navíc ani klidový odběr obvodu není plně v souladu s požadavkem na USB zařízení v pohotovostním režimu. Nicméně, jedná se o specializovanou aplikaci, kde plná kompatibilita s USB standardem nemusí být podmínkou.


Obr. 5: Schéma izolovaného USB kabelu s obvodem ADuM4160

Napájení kabelu zajišťuje upstream USB konektor a k dispozici je tak maximálně 5 V VBUS u portu počítače. Toto napětí dále zpracovává obvod ADuM5000, který ho izolovaně převádí na VBUS2 pro napájení druhé poloviny obvodu ADuM4160 a zároveň poskytuje až 100 mA pro napájení připojeného zařízení. Volba na ADuM5000 přitom padla především z důvodu vysokého izolačního napětí, odolnosti až do >25 kV/µs a malého, plně integrovaného provedení. Obvod poskytuje dostatečný výkon pro napájení většiny malých zařízení, jako jsou například myši, klávesnice a paměťová zařízení. Vzhledem k jeho rozměrům a použití integrovaných mikro-transformátorů, pracuje obvod na poměrně vysoké vnitřní spínací frekvenci, čemuž také musí odpovídat návrh a uspořádání DPS s cílem minimalizace nežádoucího vyzařování. Doporučené jsou malé feritové korálky, případně použití feritových kroužků přímo na kabelu. O jejich správné volbě pojednává například náš seriál Využití feritů v EMI. Konkrétní uspořádání, technika izolace a uzemnění musí být jako v každém zařízení schopna splnit všechny požadavky na EMI / RFI testy. V závěru článku jsou tak zájemcům k dispozici i kompletní ukázkové výrobní soubory (gerber).

Součástí obvodu jsou také základní ochranné prvky. Jejich volba padla na takové, které jsou dostupné v široké řadě svých parametrů a případně je lze snadno nahradit i SMD rezistory s hodnotou 0 R. Lze je tedy z obvodu vypustit. Jejich konkrétní použití však závisí na samotném návrháři, který přihlédne k dané aplikaci izolátoru a rozhodne, které ochranné prvky jsou v obvodu potřeba. Jejich použití v tomto obvodu má tedy pouze ukázat, jaký typ ochran lze v podobné aplikací použít.


Obr. 6: Upstream port obvodu ADuM4160 při rychlosti Full-speed

Pokud je vše v pořádku, jsou obvodem detekovány jednotlivé datové pakety a dochází k jejich přenosu z jedné strany izolátoru na druhou. Následující obrázky ukazují změřené průběhy signálů v časové ose při plné rychlosti a tzv. datové oko. Záznam real-time paketů je samozřejmě zkrácený tak, aby bylo dobře vidět klidový stav na začátku paketu, který je pomocí rezistorů držen na výchozí úrovni, stejně jako jeho konec. Na obrázku je dobře vidět automatické řízení toku dat a zpracování těchto specifických logických stavů, které je charakteristické právě pro ADuM4160 a na trhu poměrně unikátní.


Obr. 7: Tzv. oko dobře zobrazuje doporučené oblasti signálu

Závěr:
Uvedená konstrukce USB kabelu umožňuje dosažení izolace až do 2,5 kV. Připravované moduly řady isoPower® však mají přinést izolaci až do plných 5 kV, používaných u většiny zdravotnické techniky. Omezení výstupního proudu na uvedených cca. 100 mA a ochranu proti zkratu na výstupu zajišťuje obvod ADuM5000. Jedinou nevýhodou uvedeného řešení je tak pouze ruční změna používané přenosové rychlosti.


Obr. 8: Ověřovací zapojení USB izolátoru

V článku byla použita technická dokumentace a základní parametry obvodů ADuM4160, ADuM5000 a ADuM1100 společnosti Analog Devices, kde je rovněž k dispozici více informací. Zmíněné ukázkové výrobní soubory k tomuto abelu jsou dostupné v doprovodném archivu CN0159.

Odkazy & Download:
Domovská stránka výrobce
Přehled distributorů a kontaktů
Universal Serial Bus (USB) Cable Isolator Circuit
Doprovodný archiv s výrobními soubory CN0159

ADUM4160 - Full/Low Speed USB Digital Isolator
ADUM5000 - Isolated DC/DC Converter
ADUM1100 - iCoupler Digital Isolator
Co je a co nabízí iCoupler
Jednočipový USB izolátor
Využití feritů v EMI







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PXC72 - Vývojový modul pro XC9572XL
Malý vývojový modul pro CPLD XC9572XL společnosti Xilinx. Na modulu je umístěn i regulátor, generátor hodin, tlačítko a čtyři LED.
Skladem od 398 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007