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USB 電源和數據隔離的技術與解決方案

作者:Doug Peters

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

通用序列匯流排 (USB) 於 1996 年引進市場,目前已經成為周邊裝置與 PC 的主要連接方法。過去 24 年來,USB 數據傳輸率從 1.5 Mbits/s 增加到 20 Gbits/s 以上。測試與量測製造商注意到此現象,向市場推出 USB 型測試設備。業餘愛好者也搭上了 USB 流行潮,自行開發了許多獨特的量測工具。

不過,在使用或設計可連接到 PC USB 埠的 USB 型設備時,可能會有一些潛在的危險。雖然受測元件 (DUT) 可從浮動電源供應器供電,但一旦插入接地的 PC 後,接地迴路可能會產生作用。可能會產生嚴重的接地電位差,造成電路毀損,更糟的結果是導致人員受傷。

為了消除接地迴路連接,電源與數據通訊路徑都需要與 PC 的 USB 接地進行電流隔離。有數種隔離數據通訊選項,可依據數據傳輸率和通訊協定進行選擇。此外,還可部署多種隔離策略,包括電容式、光學和電磁隔離。

本文會先對電流隔離進行定義,再說明許多不同的 USB 隔離技術及其優缺點。接著會介紹 Texas InstrumentsWürth ElectronikON SemiconductorAnalog Devices 推出的實際隔離解決方案,並示範有效的使用方法。

什麼是電流隔離?

電流隔離主要是避免兩個或更多個獨立電路之間的電流流動或導通,同時仍允許能源和/或資訊在這些電路之間傳輸。

為簡要說明,本文將側重介紹兩個獨立電路,分別稱為一次側和二次側電路。一次側電路由 USB 供電,並與主機 PC 共享雙向的數據流。分隔電路的區域稱為隔離屏障,此區域用於承受數百至數千伏特的崩潰電壓。一般而言,會採用空氣、二氧化矽 (SiO2)、聚醯亞胺或其他非傳導性材料來分隔這兩個電路 (圖 1)。

位於一次側和二次側 USB 輸入間的電流隔離示意圖圖 1:圖示為電路一次側和二次側 USB 輸入間的電流隔離範例。隔離屏障需要承受數百至數千伏特的電壓。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

隔離的數據傳輸

如前述定義,電流隔離允許數據或資訊在分隔的電路之間傳輸。但電路之間若沒有某種導通材料,如何能達到此目的呢?目前有幾種實用解決方案可解決此問題,包括光學、電容與電磁技術。這些方法各有優劣,將於後續討論。設計人員在決定策略時,數據傳輸率、靜電放電 (ESD)、干擾和功率需求等因素,都會影響最終決定。

光學:最為眾人所知的隔離方法之一,便是光學隔離器或光隔離器 (或稱光耦合器)。若要達成隔離效果,需在隔離屏障的一次側使用發光二極體 (LED),並在二次側使用光敏電晶體。ON Semiconductor 的 FOD817 是良好的光隔離器範例之一 (圖 2)。利用 LED 光脈衝將數據穿越隔離屏障進行傳輸,並由開集極配置的光電晶體進行接收。LED 開啟時,光電二極體會在二次電路中產生電流。

由於數據傳輸使用光線,因此光隔離器不會受到電磁干擾 (EMI) 的影響。缺點在於低數據傳輸率,這是由於數據傳輸率取決於 LED 的切換速度。此外,與其他技術相比,由於 LED 會隨著時間劣化,光隔離器的壽命往往較短。

光隔離器 - LED 發射光脈衝通過隔離屏障的示意圖圖 2:光隔離器 - LED 發射光脈衝通過隔離屏障,光脈衝由光電二極體接收,並且在二次電路中產生電流。(圖片來源:ON Semiconductor)

FOD817 是單通道元件,額定值最高可達一分鐘 5 kV rms AC。此元件包含砷化鎵 (GaAs) 紅外線 (IR) LED,用以驅動矽光電電晶體。相關應用包括功率調節器和數位邏輯輸入。

電磁隔離:也許是最早的電路隔離技術。兩個線圈間的數據傳輸採用電磁感應基本原理 (電源傳輸將於後續討論)。在 Analog Devices 運用 iCoupler 技術及其他公司的推動下,這種方式已隨著時間大幅增強。iCoupler 技術將變壓器線圈嵌入積體電路中,並採用聚醯亞胺基板作為隔離屏障。

相較於光隔離器,電磁隔離方法更容易受到磁場影響,而且會產生本身潛在的 EMI,而這個問題必須在產品設計階段就要解決。不過,優點是數據傳輸率高達 100 Mbits/s 或更高,而且功耗較低。

Analog Devices 的 ADuM1250 是此類技術的範例之一 (圖 3)。此元件針對熱抽換應用等雙向 I2C 數據隔離應用而設計,其數據傳輸率高達 1 Mbit/s,額定值為每分鐘 2500 V rms 且符合 UL 1577 標準。此元件會在一次側耗用 2.8 mA 的輸入電流 (IDD1),二次側為 2.7 mA 的電流 (IDD2),電源電壓 (VDD1 和 VDD2) 則為 5 V。請注意,ADuM1250 的各個 I2C 通道 (時脈及數據線) 需要兩個嵌入式變壓器才能達到雙向功能。

數據通常會透過邊緣轉換方案,在變壓器線圈間進行傳輸。簡言之,數據訊號的前緣和後緣是透過 1 ns 脈衝來辨別。編碼與解碼硬體也內建於元件中。

Analog Devices 的 ADuM1250 雙 I2C 隔離器示意圖圖 3:在 ADuM1250 雙 I2C 隔離器上,各個 I2C 線路需要兩個不同的變壓器,才能促成雙向數據與時脈傳輸。(圖片來源:Analog Devices, Inc.)

電容式隔離:顧名思義,電容式隔離必須透過電容來達成 (圖 4)。由於電容技術的特性,電容會阻隔 DC 電壓,而允許 AC 電壓自由流動。

電容式隔離運用阻隔 DC 訊號的電容特性示意圖圖 4:電容式隔離運用阻隔 DC 訊號的電容特性,讓 AC 訊號流過隔離屏障。(圖片來源:Texas Instruments)

透過使用高頻載波 (AC) 進行跨越電容的數據傳輸,資訊即可使用開關鍵控 (OOK) 等調變方案來傳輸。高頻載波的存在可能構成 0 (LOW) 數位輸出,而缺乏載波則意味著數位輸出為 1 (HIGH) (圖 5)。

開關鍵控 (OOK) 方案使用高頻載波 (AC) 訊號的示意圖圖 5:開關鍵控 (OOK) 方案運用高頻載波 (AC) 訊號 (其會穿透隔離屏障) 的存在或缺乏狀況,來傳輸邏輯位準 HIGH 或 LOW 訊號。(圖片來源:Texas Instruments)

如同電磁隔離,電容式隔離的優點在於數據傳輸率高 (100 Mbits/s 或更高) 且功耗較低;缺點則是更容易受到電磁場的干擾。

電容式隔離技術的絕佳範例便是 Texas Instruments 的 ISO7742 四通道數位隔離器,最高可隔離 5000 V rms。此元件具有多種配置,端視所需的數據流方向而定。其數據傳輸率為 100 Mbits/s,每通道耗用 1.5 mA 電流。ISO7742 的相關應用包括醫療設備、電源供應器和工業自動化。

USB 電源隔離

設計人員若仔細注意隔離元件的規格書,就會發現隔離元件的每一側都需要獨立的電源:一個用於一次側,一個用於二次側 (VCC1 和 VCC2),且有各自的接地參考以維持隔離屏障。

如果考量中的設計具有獨立電源,一次側有 USB 5 V,而且有一個附有接地的獨立電池供電給二次側,則需求即可滿足。但是,如果產品是為了單一電源而設計,假設只有 USB 5 V 輸入,那麼該如何提供二次側隔離電壓電源?DC-DC 轉換器 (或變壓器驅動器) 以及隔離變壓器可提供解決方法。DC-DC 轉換器可用於電壓升壓或降壓,而變壓器能提供電流隔離功能。

此類隔離式電源供應器的範例如圖 6 所示,其中採用 Texas Instruments 的 SN6505 驅動器,同時搭配 Würth Elektronik 的 750315371 隔離變壓器 (2500 V rms 的隔離效果)。SN6505 的輸入使用 USB 標準的 5 V 以及 500 mA 電力,通常能提供足夠的電力來驅動二次側隔離電路以進行數據傳輸,並可能可以驅動感測器等其他電路。二次電路側的兩個二極體能對輸出進行整流。許多設計會在二次側加入低壓降 (LDO) 穩壓器,以得到更完全的穩壓效果。

Texas Instruments 的 SN6505 變壓器驅動器結合 Würth Elektronik 的 750315371 隔離變壓器示意圖圖 6:Texas Instruments 的 SN6505 變壓器驅動器結合 Würth Elektronik 的 750315371 隔離變壓器後,可提供驅動二次側電路的隔離式電源路徑。(圖片來源:Texas Instruments)

對設計人員可能相當重要的其他標準:印刷電路板 (PCB) 的可用空間。若使用獨立元件進行電源和數據隔離,會佔用電路板上寶貴的空間。但好消息是,目前已有可將電源和數據傳輸隔離功能結合至單一封裝的元件。此類拓撲的範例包含 Analog Devices 的 ADuM5240 雙通道數位隔離器 (圖 7)。

Analog Devices 的 ADuM5240 雙通道數位隔離器示意圖圖 7:Analog Devices 的 ADuM5240 雙通道數位隔離器將電源和數據隔離功能結合在一個元件中,藉以節省空間。(圖片來源:Analog Devices)

ADuM5240 在單一封裝內運用電源和數據傳輸的變壓器型電磁隔離功能,以便減少整體電路板的面積需求。ADuM5240 符合 UL 1577 標準,可提供 1 分鐘 2500 V rms 的隔離效果,以及高達 1 Mbit/s 的數據傳輸率。

上游 USB 數據隔離

上述所有範例皆是假設一次電路和二次電路之間存在隔離。在已有周邊裝置但沒有數據隔離硬體的情況下,設計人員可在 USB 介面 (亦即在纜線上) 進行隔離。如此可在 USB 主機和 USB 周邊裝置之間,有效地將數據隔離推至上游 (圖 8)。

在 USB 主機和 USB 周邊裝置之間將 USB 數據隔離移至上游的示意圖圖 8:如果已有周邊裝置但沒有數據隔離硬體,設計人員依然能提供保護,只要在 USB 主機和 USB 周邊裝置之間將 USB 數據隔離移至上游即可。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

要實作此方法,設計人員可使用 Analog Device 的 ADuM4160,隔離額定值為 1 分鐘 5000 V rms。此解決方案採與前述相同的 iCoupler 技術,但是在 USB 數據介面 (D+ 和 D-) 進行隔離 (圖 9)。適用 ADum4160 的其他應用包括隔離的 USB 集線器和醫療裝置。

Analog Devices 的 ADuM4160 示意圖圖 9:Analog Devices 的 ADuM4160 提供 USB 數據線 (D+、D-) 隔離解決方案。若必須在 USB 主機至周邊裝置纜線連接處提供隔離,此方案相當實用。(圖片來源:Analog Devices)

隔離的設計考量

設計人員如何挑選最佳的隔離技術?如前所述,為當前工作選擇正確技術時,有多項因素都要納入考量。表 1 顯示不同類型隔離技術所適用的幾種設計標準。如同任何設計一樣,應該仔細考量才能完全瞭解所使用的元件。除了徹底檢閱規格書,並且以所選元件進行原型開發以外,別無他法。

選擇隔離方法時應考量的關鍵因素表表 1:選擇隔離方法時,有幾個需要考量的關鍵因素,但設計人員務必要仔細研究所選元件的規格書及原型。(資料來源:Digi-Key Electronics)

除了表 1 中的定義部份,在開發 USB 型隔離周邊裝置時,也必須考量其他因素。例如,必須計算二次電路所需的總功率預算。足夠的電力必須從一次側傳輸至已隔離的二次電路,以便所有必要的電力除了供給隔離元件外,還能供應感測器、LED 和邏輯元件等其他任何元件。

此外,如前所述,若使用電磁隔離解決方案,在放射測試和/或 EMI 對其他電路的影響方面,也必須考量變壓器可能產生的 EMI。

結論

USB 的數據傳輸率和電源傳輸能力仍持續提高。不過,在設計包含 USB 電源和/或數據介面的產品時,需謹慎地將數據和電源電路的電流隔離列為主要考量。

要達到電流隔離效果,設計人員在考量數據傳輸率與 EMI,以及功率和電路板空間需求等多種標準後,即可在光學、電容或電磁等三種方法當中選擇。無論選擇哪一種,目前已有許多解決方案可幫助設計人員確保電路的完整性,以及保護設計人員和終端使用者的安全。

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關於作者

Doug Peters

Doug Peters 是 Bluebird Labs, LLC 創辦人,公司為於美國明尼蘇達州伊甸草原市。他具有美國東北大學波士頓分校的電機工程學士學位,以及賓夕法尼亞州立大學的應用統計學碩士證書。他曾在 GE 的遠距通訊系統部門任職 10 年,更早之前也曾在 NeXT 電腦公司擔任系統工程師。歡迎與他聯繫:dpeters@bluebird-labs.com

關於出版者

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