Den som kopplar sin bordsdator till industriell eller medicinsk utrustning med hjälp av en standardkabel för USB (Universal Serial Bus) lär sig eventuellt snart en dyr läxa! Chris Gobok, produktmarknadsingenjör, blandsignalprodukter, Linear Technology ger här konstruktiva tips.

PCn och utrustningen kopplas lätt till olika utgångar på olika jordpotentialer. Så efter anslutning kan USB-kabeln ge en jordslinga med lägre impedans mellan utrustningarna, vilket bränner allt längs USBns kraftväg!
Byt ut PCn mot en utrustning som drivs med USB-kraft, exempelvis en bärbar scanner, och dilemmat kan bli att USB-porten inte ger tillräckligt med kraft.
Kanske ännu mer frustrerande är när man vet att all utrustning är säkert ihopkopplad och ordentligt kraftmatad, men en elektriskt störd och brusig miljö gör att kommunikationen inte fungerar som den ska.
USB-standarden utvecklades i mitten av 1990-talet och utformades aldrig för att fungera i störda miljöer. Den var tänkt för att koppla energisnål utrustning till datorer över korta avstånd i relativt elektriskt störningsfria hem- eller kontorsmiljöer. Idag är tekniken vida uppskattad för att den är snabb och lätt att implementera, och konstruktörer är nu beroende av USB som ett gränssnitt mellan datorer och en rad olika specialutrustningar.
För vissa tillämpningar har det dock visat sig att isolering är nödvändig, framför allt vad gäller medicinsk och industriell utrustning.  Det finns isolerade USB-sändtagare på marknaden, men de lösningarna inkluderar inte passiv utrustning och utrustning med isolerad kraft, vilket kräver större och mer komplicerade konstruktioner. Linear Technologys isolerade USB-sändtagare/kraftkrets LTM2884 är en elegantare lösning, som dramatiskt förenklar konstruktionen av isolerade USB 2.0-hubbar eller kringutrustning och förbereder dessa för tuffa miljöer.

Chipscale-isolering och -kraft
Galvanisk isolering utnyttjas inom en rad olika industrier, vanligtvis för att skydda mot potentiellt dödliga spänningsnivåer. Isolering utnyttjas också för att utesluta effekter från störningar och spänningsskillnader som uppstår i jordslingor, eller som en nivåavskiljare mellan olika driftsspänningar.
Konstruktion av ett isolerat system kräver normalt ett antal passiva och aktiva komponenter på vardera sidan av isoleringsbarriären utöver de komponenter som utgör själva barriären. Barriärkomponenter är som bekant svåra att använda, vilket väsentligen ökar konstruktionstiden och kostnaden för isolerade system. Med tanke på detta har Linear Technology utvecklat ett sortiment av µModule-isolatorer som minskar konstruktionen av isolerade system till en enkel inpluggning av en modul — utan behov av komplicerade barriärkomponenter. µModule-isolatorerna behöver faktiskt inga externa komponenter alls.
USB-µModule-isolatorn LTM2884, i fig 1, ger 2 500 V_RMS av galvanisk isolering och integrerar en USB 2.0 sändtagare, en flyback-omvandlare utan optokopplare, LDOer med ultralåg viloström och alla passiva komponenter som behövs i en 15×15×5 mm ytmonterad BGA-kapsel.

Fig 1. LTM2884 Isolerad USB-sändtagare med isolerad kraft.

I likhet med familjens övriga µModule-isolatorer utnyttjar LTM2884 induktivt kopplade spolar, eller transformatorer utan  kärna, för att föra data över isoleringsbarriären på 2 500 V_RMS medan särskilda integrerade kretsar utför sändnings- och mottagningsfunktionerna för data för båda USB-kanalerna och båda datariktningarna.
USB-signalerna på vardera sidan av barriären kodas till pulser och översätts över barriären med differentiell signalering genom de  transformatorer utan kärna som formas av µModule-substratet. Systemet, komplett med data-återhämtning (refresh), felsökning, säker avstängning vid fel och extremt hög “common mode”-immunitet, ger en robust lösning för dubbelriktad signalisolering.
LTM2884s isolerade kraft genereras på ett mer konventionellt sätt. Kraft tas från en flyback-omvandlare som fungerar i ”boundary mode” där reglering sker via spänningsavkänning på primärsidan. Denna övergripande krafttopologi ger en enkel, flexibel, feltolerant och relativt verkningsfull konstruktion (~65 procents verkningsgrad).
LTM2884 har två separata ingångar för att kraftmata den inbyggda USB-sändtagaren och DC/DC-omvandlaren.
USB-sändtagaren accepterar kraft från en 4,4 V till 16,5 V buss eller extern matning.
DC/DC-omvandlaren accepterar också kraft från samma källor; om den ansluts till en 5 V buss kan isolerade utrustningar utnyttja upp till 1 W (200 mA vid 5 V) av isolerad kraft; annars kommer anslutning av extern matning på mer än 8,6 V att förse kringutrustningen med 2,5 W (500 mA vid 5 V)!

Tåliga konstruktioner på enklare sätt
LTM2884 är kompatibel såväl med full-hastighets USB 2.0 (12 Mbps) och låg hastighetskommunikation (1,5 Mbps). Som vi ser i fig 2 detekterar LTM2884 hastigheten hos en ansluten USB-utrustning på porten nedströmssida och ställer sedan in sina egna interna ”pull-up”-motstånd på porten uppströms för att anpassa hastigheten.
Integrerade “pull-down”-motstånd stöder också busskonfigurationen nedströms.  LTM2884 bibehåller förhållandena hos USB-bussens overksamma tillstånd genom att övervaka overksamma förhållanden nedströms och återhämta tillståndet över isoleringsbarriären i jämn takt. Om porten uppströms är overksam under längre tid än 3 ms kan LTM2884 gå in i ett vilotillstånd för att minska sin egen kraftförbrukning till mindre än 500 µA. Denna automatiska valfunktion för hastigheten gör att man inte behöver ställa in stomanslutningar eller konfigurera programvara, vilket möjliggör verklig ”plug-n-play”-konstruktion.

Fig 2. LTM2884 väljer automatiskt interna “pull-up”-motstånd uppströms för att matcha hastigheten nedströms.

Isoleringen skyddar visserligen mot skilda jordpotentialer, men det behövs andra skyddsmekanismer för att motverka störningar, transienter och inrusningsström, som är vanligt förekommande i störda miljöer.
En av de största fördelarna med galvanisk isolering är den förmåga som isoleringsbarriären har att hålla borta stora spänningspotentialer, vilket utesluter behovet av annan skyddsutrustning såsom klumpiga transientspänningsdämpare (MOV, TVS, o.s.v.).  LTM2884 kan inte bara lätt motstå 2 500 V_RMS (3 500 V_PEAK) i upp till en minut utan klarar även ±15 kV HBM (human body model) ESD på USB-anslutningarna till lokala matningar och ±15 kV HBM genom isoleringsbarriären till matningarna.
De höga ESD-värdena beror på den noga konstruerade, högpresterande isoleringsbarriären, som också stöder en minsta transienthastighet i “common mode” på 30 kV/us (normalt 50 kV/µs) och gör att LTM2884 på ett unikt sätt kan fungera felfritt genom transienthändelser samtidigt som den överför USB-data.
LTM2884 har kraftfull immunitet mot RF och magnetiska fält, och är också en bra granne som inte genererar höga nivåer av EMI (elektromagnetisk strålning). Den µModule-isolatorteknik som utnyttjas i LTM2884 har utvärderats oberoende och har klarat de immunitetstest för RF och magnetiska fält som krävs enligt EU-standarden EN 55024, i enlighet med teststandarden EN 61000-4-3. Konstruktions- och layoutteknikerna gör dessutom att LTM2884 kan minimera EMI till en punkt bortom gränsen för klass B i CISPR 22, vilket utesluter behovet av komplicerade skärmande och dämpande EMI-tekniker.

Isolerade USB-tillämpningar
Vad gäller isolering av USB-portar finns det inte så många kretskonfigurationer. Liksom LTM2884 kan isoleringskomponenten antingen placeras vid kringutrustningens ingång, i linje med USB-kabeln (repeteraren), eller vid värdens/hubbens utgång. LTM2884 är dock idealisk för praktiskt taget vilken USB-utrustning som helst, oavsett sluttillämpning eller marknadssegment.
µModulens ”fotavtryck” på 225 mm² kräver minimalt kretsutrymme, medan nästan samtliga elektriska specifikationer är testade och garanterade över ett brett arbetstemperaturområde från -40°C till 105°C.
Certifiering på komponentnivå enligt UL 1577 pågår och LTM2884 uppfyller samtliga krav enligt den medicinska säkerhetsstandarden IEC 60601-1, utom ett fåtal av de två MOOP-(means of operator protection)- eller två MOPP-(means of patient protection)-test som kräver AC-testspänning på över 2 500 kV_RMS. I övrigt är LTM2884s benavstånd på mer än 9 mm (krypavstånd och mellanrum) liksom avstånd på 100 µm genom isolering för data och 114 µm för kraft några av de säkerhetsrelaterade parametrar som kommer att hjälpa USB-system att klara olika utrustningsstandarder.
Tack vare att LTM2884 är så användbar har den utnyttjats i en rad olika konstruktioner inom Linear Technology före marknadslanseringen.
Fig 3 visar LTM2884 i hjärtat av Linear Technologys s k ”inline”-isolator för USB, LTP2884, en komplett fristående utrustning som tjänar som en fullständig referenskonstruktion och som även kan köpas som den är så att USB-isolering snabbt kan utnyttjas i arbetsmiljön.
LTP2884 tillhandahåller samtliga fördelar hos LTM2884 i en liten tålig kapsel, komplett med ±20 kV ESD-skydd, LED-status och varningsvisare, samt mycket hållfasta USB-anslutningar.  Drivrutiner och programvara behövs givetvis inte, det är bara att ”plug and play”!

Fig 3. ”Inline”-isolatorn för USB, LTP2884, är baserad på LTM2884.

LTM2884 utnyttjas också i Linear Technologys isolerade Arduino-kompatibla demonstrationskort DC2026 Linduino One. Linduino, som är kompatibel med den populära plattformen Arduino One för prototypframställning på basis av öppen källkod, utnyttjar Arduino-maskinvara bestående av en Atmel-styrkrets med en ”boot”-laddare, vilket möjliggör snabb integrerad uppdatering av firmware. Programvaran är en enkel C-programmeringsmiljö baserad på AVRGCC-kompilatorn.
Linear Technology utnyttjar Linduino för att effektivt demonstrera och distribuera bibliotek för integrerade kretsar som har digitala gränssnitt, som exempelvis I²C eller SPI.
LTM2884 bryter jordkopplingen till PCn, vilket gör att projekt som är anslutna till Linduino kan fungera vid en annan jordpotential än den dator som styr dem.

Passar tuffa miljöer
Antalet USB-tillämpningar som kräver isolering ökar fortfarande, framför allt inom industri- och medicinsektorerna och där av säkerhets- och tillförlitlighetsskäl. LTM2884 är attraktiv på grund av sina markanta fördelar jämfört med äldre diskreta lösningar, inkluderande isolering av data och kraft i en liten kapsel.
2500 V_RMS galvanisk isolering, automatiskt hastighetsval, utmärkt “common mode”-avvisning, högt ESD och låg EMI hjälper till att förverkliga robusta konstruktioner. Dessutom krävs inga externa komponenter som avkopplingskondensatorer vilket kommer att uppskattas i många utrymmesbegränsade USB-tillämpningar som exempelvis LTP2884 eller DC2026.

Filed under: Analogteknik