L'isolamento galvanico di USB ad alta velocità è impossibile?


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Ho un isolatore USB che fornisce l'isolamento galvanico di un dispositivo USB dal mio PC, ma funziona solo per USB a bassa e piena velocità. Non riesco a trovare isolatori elettrici alternativi che forniscano una connessione ad alta velocità; Gli extender in fibra USB , tuttavia, sono offerti con un throughput ad alta velocità e dovrebbero fornire sia isolamento galvanico che elevata larghezza di banda, anche se forse a costi più elevati?

Esiste un limite pratico o fisico alla larghezza di banda di un isolatore galvanico per USB? Sono coinvolte le leggi reali della fisica o si tratta semplicemente di una sfida ingegneristica o di un problema di costi?

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Vorrei riformulare la mia domanda:

Gli isolatori USB non in fibra costano circa € 100 ma sono limitati all'USB a piena velocità. Gli isolatori USB ad alta velocità non esistono, quindi presumo che non possano essere realizzati per € 100, ma costerebbero significativamente di più (€ 1000? € 10000). A tale prezzo, non esiste un mercato, quindi non sono disponibili isolatori USB ad alta velocità.

La domanda quindi è questa: cosa rende un isolatore USB ad alta velocità molto più costoso di un isolatore USB ad alta velocità? Esiste una limitazione fisica all'approccio utilizzato per i dispositivi ad alta velocità che lo rende inapplicabile e / o proibitivo in termini di costi per i dispositivi ad alta velocità?


In generale, è meglio lasciare l'USB sul terreno del computer e isolare tutto ciò che viene dopo l'USB
endolith

Come funziona l'isolamento se l'apparato USB vuole fungere da host, ovvero come viene trasferita l'alimentazione al dispositivo USB dall'altra parte della barriera di isolamento?
Vaibhav Garg,

@Vaibhav: non lo è, o è limitato a meno delle specifiche USB (quello che ho dice che può fare 125mA). Tuttavia, un hub alimentato o un alimentatore separato per l'apparato USB risolve questo problema.
Daan,

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@endolith: concordato; questa è la soluzione a cui sto lavorando. L'isolatore USB è stato un'aggiunta inaspettata alla configurazione e mi sono lasciato a chiedermi perché non esiste un'implementazione ad alta velocità.
Daan,

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Ecco qua, affermano che è "il primo al mondo": http://intona.eu/en/products

Risposte:


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Ci sono sicuramente le leggi del marketing coinvolte. :-)

Gigabit Ethernet e 10G-Ethernet hanno un isolamento galvanico. Quindi, ovviamente, è possibile e fatto regolarmente con la tecnologia di oggi.

Un extender USB a fibra ottica funziona sostanzialmente come un accoppiatore ottico, tranne per il fatto che la sorgente di luce e il ricevitore di luce si trovano su chip separati. La combinazione delle funzioni di un extender in fibra in un unico pacchetto dovrebbe essere più economica, non più costosa. L'uso dell'accoppiamento magnetico o capacitivo invece dell'accoppiamento ottico dovrebbe essere di nuovo più economico.

L'USB viene normalmente utilizzato per connessioni dati a breve distanza (fino a 5 m) in cui non esistono differenze significative nel potenziale di terra e non è necessario l'isolamento galvanico.

Esistono alcune applicazioni, ad esempio mediche o a basso rumore elettrico, che richiedono o beneficiano dell'isolamento galvanico. Tutte queste applicazioni sono specializzate e le soluzioni di estensione in fibra esistenti coprono completamente il requisito di isolamento galvanico. Inoltre, soluzioni wireless come Bluetooth, Zigbee, ecc. Soddisfano anche i requisiti di isolamento (a bassa velocità). In conclusione, probabilmente non esiste una nicchia di mercato per gli isolatori USB.

FWIW, ho usato un extender in fibra alcuni anni fa durante i lavori di sviluppo su un sottosistema di alimentazione ad alta tensione. Avevo solo bisogno dell'isolamento, la fibra rimase arrotolata sulla panca.

Grazie per i collegamenti.

Modifica: Per quanto riguarda la parte della domanda "Sono coinvolte le leggi della fisica, ..." No, ci sono molti collegamenti di comunicazione più veloci e galvanicamente isolati come Gigabit Ethernet, 10G Ethernet e persino soluzioni wireless.

"... o è solo una sfida ingegneristica o un problema di costi?" Sì, a partire dal 2018, la sfida ingegneristica è inferiore a quanto sarebbe stata qualche anno fa, ma sarebbe comunque uno sforzo significativo. Ma chi finanzerebbe lo sviluppo di tali soluzioni se la domanda appare molto limitata?


Per un collegamento a un extender in fibra USB vedi la mia domanda aggiornata.
Daan,

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"2.718" è un nome così strano. Penso che ti chiamerò "."
Stevenvh,

Concordo su tutti i punti (l'estensione della fibra sarebbe stata la mia soluzione alternativa se ne avessi avuto bisogno). Tuttavia, sono ancora sconcertato perché non è necessario un extender in fibra per l'isolamento USB 1.1, ma questa è in qualche modo l'unica opzione per USB 2.0. Immagino che non ci sia una buona ragione se non una mancanza di domanda.
Daan,

Naturalmente abbiamo il progetto USB over IP e con Ethernet che supporta la fibra ottica ... usbip.sourceforge.net
jippie

(Ho la stessa domanda). Questa risposta non risponde. Innanzitutto, ogni banco di prova elettrico beneficia di un tale isolatore. Non per "differenze significative nel potenziale del suolo", ma per evitare anelli di massa. In secondo luogo, la vera domanda è cosa rende esattamente difficile costruirlo per l'alta velocità invece che per la velocità massima. Questo non è stato affatto indirizzi.
divB

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Esistono chip ripetitori isolati pronti per la velocità di trasferimento USB a 12 Mbps : ADuM4160 di Analog Devices o LTM2884 di Linear Technology . Sorprendentemente per me, entrambi contengono accoppiamento induttivo = trasformatori di segnali on-chip in miniatura come elementi di accoppiamento, interfacciati al mondo esterno da ricetrasmettitori bufferati in silicio (CMOS?). Mi chiedo perché l'isolamento non sia ottico in questi giorni ...

Si noti che 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e o RS422, usano tutti una coppia bilanciata in entrambe le direzioni, che comprendono un collegamento full duplex a 4 fili. Suppongo che Gigabit ed Ethernet 10Gb funzionino solo su fibra ottica.

Al contrario, USB bassa / piena / alta velocità utilizza una singola coppia bilanciata, in modalità half-duplex, in cui l'host e il dispositivo si alternano nel parlare sul bus e devono tri-state il driver di linea quando hanno finito parlando, per dare una possibilità all'altra parte (in qualche modo simile a RS485, sebbene molti dettagli elettrici e di inquadratura siano diversi).

Qualsiasi isolatore galvanico, compresi i chip sopra menzionati, deve rispettare lo stile di comunicazione di commutazione della direzione half-duplex. Un singolo trafo di segnale dovrebbe teoricamente funzionare a 12 Mbps, ad eccezione dei resistori di polarizzazione DC, e probabilmente l'inquadramento non è "privo di offset DC in media", rendendo difficile l'utilizzo di un trafo passivo. Attenuazione a parte.

Forse è proprio questa necessità per l'isolatore attivo di "girare il tavolo" abbastanza velocemente, in primo luogo di rilevare la fine della trasmissione, che rende impraticabile l'implementazione di uno "stupido ripetitore USB" a 480 Mbps, anche nel silicio di oggi. Presumibilmente ci sono altri cambiamenti nell'interfaccia elettrica per USB 2.0 ad alta velocità (segnalazione di corrente costante) che potrebbe essere un altro fattore per cui USB ad alta velocità non si presta facilmente a questo tipo di commutazione RX / TX in stile 485 in un ripetitore muto.

Si noti che esiste un approccio alternativo al problema del "cambio di direzione": piuttosto che rilevare una Z alta sulla linea in modo analogico, che comporta una latenza intrinseca (ritardo), l'isolatore dovrebbe comprendere il protocollo USB, solo come fa un hub USB, in modo che saprebbe quando aspettarsi che venga terminata la fine del frame. E possibilmente, farebbe buffer di interi frame, prima di inoltrarli dall'altra parte, proprio come fa un hub USB. (O lo fa?) In effetti l'isolatore dovrebbe diventare un hub USB, con un gap di isolamento da qualche parte lì dentro.

È in qualche modo sorprendente per me che non ci siano ripetitori isolati in stile hub. Forse perché ATMEL e gli amici creano hub, mentre Analog o Linear (o Avago?) Creano isolatori, ma le due bande non si mescolano ...

Il problema del trasporto dell'elevato bitrate su un gap di isolamento non dovrebbe essere così difficile - eppure anche questa area sembra sorprendentemente "sottosviluppata", o sembra subire un gap di qualche tipo. Ethernet da 10 Gb su fibra esiste da anni, con SERDES bit-band in banda base (bitstream), trasmesso da un "laser" (almeno un VCSEL) e ricevuto da un fotodiodo. Eppure gli accoppiatori ottici impacchettati DIL hanno raggiunto a malapena 50 Mbps o giù di lì. Da dove viene il gap? Beh, mi sembra che i ragazzi che realizzano gli accoppiatori ottici DIL facciano affidamento su sorgenti LED e ricevitori di foto-transistor relativamente lenti. Mentre i ragazzi che producono materiale in fibra rendono i loro VCSEL e fotodiodi adatti per l'accoppiamento a una fibra - con corrente di polarizzazione regolabile, con un diodo di feedback locale legato al VCSEL ecc. Apparentemente nessuno ha avuto l'idea di costruire un fotoaccoppiatore da elettrico a elettrico quelle parti di alta qualità. Tieni presente che i gigabit accoppiati in fibra utilizzano in genere l'accoppiamento CA sulle interfacce elettriche, ma questo non dovrebbe essere un grosso problema,

Forse è solo una visione conservatrice della vecchia scuola del settore, da parte mia. Forse la tecnologia gigabit ad alta larghezza di banda è già passata a una nuova era, dove puoi giocare solo in termini di bus e interfacce standardizzati, e non ha senso creare componenti discreti in grado di trasferire una stupida logica semplice 1/0 su un singolo segnale . Forse questo è solo il mio stile da dinosauro pensando che puoi ancora hackerare le cose insieme in quel modo. La moderna era GHz sembra "alzare il tiro" contro gli hacker casuali con un saldatore. L'hacking elettronico è diventato una questione di laboratori chiusi con attrezzature costose, disponibili solo per grandi fornitori leader del settore. È un club chiuso. Da ora in poi, tutto ciò che puoi hackerare è il software, o forse qualche banale antenna.

I trasformatori di segnale sono apparentemente buoni solo in basse centinaia di MHz. 1000Base-TX e in particolare 10GBase-TX fanno molta attenzione alla modulazione astuta per comprimere i dati in molti "bit per simbolo", su corsie bilanciate full duplex per coppia, a costo dell'elaborazione DSP assetata di potere per tutta la modulazione / cancellazione dell'eco locale / pre-equalizzazione ... solo per adattarsi all'interno di forse 200 MHz di larghezza di banda disponibile attraverso i "magnetici" (trasformatori di segnale). Se sei interessato alla tecnologia dell'antenna TV, potresti aver notato che nella gamma superiore, diciamo 500-800 MHz e oltre, gli isolatori galvanici sono strettamente capacitivi. Indipendentemente dal materiale di base che scegli, i trasformatori induttivi non vanno bene per quelle frequenze.

Alla fine ... sai cosa? USB3 sembra utilizzare linee di trasmissione separate a coppie bilanciate: una coppia per TX, una coppia per RX. Sembra di tornare a casa.


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Scusate.

Rispondere letteralmente: no, al giorno d'oggi non ci sono più limiti.

Le soluzioni ancora pratiche <400 $ sono rare. Questo è qualcosa di fisico o piuttosto elettronico, di nuovo, non solo marketing e produzione di volumi.

Ma alcuni anni fa VCSEL era troppo costoso e la parallelizzazione aumenta anche il costo dell'isolamento e ha problemi inerenti al protocollo dovuti all'aumento dei ritardi (siamo contenti quando l'USB è passato da un bus seriale inutile a qualcosa con una certa affidabilità).

Anche il 2015/16 il bit rate dei CI di isolatori digitali disponibili immediatamente è limitato, a 150 Mbit / s secondo i miei risultati. Ho trovato una sola società, vedi sotto, che offre un chip USB2 480 MBit / s.

Guarda il principio di base di iCoupler di AD. Usano treni di impulsi con ampiezza di impulso di 1 ns, e ricostruiscono gli impulsi originali con questo approccio di digitalizzazione, con un bit rate trasferibile fino a 150 Mbit / s, che non è sufficiente larghezza di banda per USB2 ad alta velocità o USB3.

La cosa bella dell'accoppiatore di AD è che sono in grado di trasferire energia per fornire energia al lato secondario (non molto, ma comunque ...), e molti dei loro chip hanno ad esempio RX, TX e una bobina di potenza. Tutto quello che devi fare è aggiungere alcuni condensatori. Quindi l'attesa varrà la pena.

Corning utilizza vere tecniche di fibra ottica con i laser VCSEL come emettitori (sempre è stata una cosa fisicamente praticabile sebbene fino a poco tempo fa un modo economico per andare).

Almeno i cavi ottici USB3.0 sono adatti, 110 $ per la versione da 10m. Potresti aver bisogno di un hub USB3 alimentato in seguito per i clienti affamati di energia (se hai bisogno di più di 200 mA o giù di lì, ma il corning dice che trasferirà "nessuna alimentazione"). E potresti avere sfortuna (o scarsa affidabilità) per alcune configurazioni, preparati a tornare indietro.

A volte riceviamo informazioni dai brevetti. Ma qualcuno dovrebbe pagare le tasse di licenza per usarlo, se non il proprietario. Ne ho trovato uno di silanna.com, società australiana Chip, vedi i brevetti di Google, WO2015104606A1. Ah, la loro soluzione USB2 ad alta velocità basata su isolatore capacitivo in silicio su Saphire è disponibile: http://www.silanna.com/usb.html Quindi aspettiamo una scheda di prototipazione con isolamento DC-DC ad alta efficienza incluso, come sostengono di lavorare.

Potresti sicuramente argomentare che tutti i laser si consumano, i condensatori hanno le loro insidie, ecc ... Ed è per questo che l'AD usa l'accoppiamento magnetico, tra le altre ragioni come il rifiuto della rotaia comune. Vedi http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Qui devi scambiare lo spessore di isolamento rispetto alle larghezze di banda trasmissibili. Aspettiamo che raggiungano i 5 GBit / s, il che significherebbe che hanno un jitter accettabile, internamente dovrebbero trasmettere come 20..30 Guls / s, se riutilizzassero la tecnica icoupler ...


Spero di aver ora consegnato di più ai letterali della domanda ...

Per me, comprerò il corning, ma aggiungerò il mio alimentatore DC-DC isolato per avere USB per alimentare il mio digilent analog discovery 2, senza spine aggiuntive (a parete). Dato che alcuni cavi ottici non sono compatibili con USB2, forse alcuni hub USB (1 porta) di piccole dimensioni dovrebbero essere posizionati dopo l'incurvatura. Insieme, per ora, questo rende l'approccio maldestro e un patchwork di 3 moduli.

Tuo Andi


AD ha detto che 5 GB / s non devono (ancora?) Essere raggiunti con la loro tecnologia di isolamento, ma USB 2.0 arriverà. Vedi link
Ands Hofs

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Vale la pena notare che, sebbene la velocità di trasmissione dati di Gig Ethernet sia molto più alta di quella USB2 ad alta velocità, in realtà utilizza tutte e 4 le coppie del cavo cat5 per raggiungere questo obiettivo. Inoltre, utilizza uno schema di modulazione a più livelli (PAM5) per mantenere la velocità di segnalazione elettrica su ciascuna coppia approssimativamente uguale a 100baseT, ovvero circa 25 Mhz, che i trasformatori gestiscono bene.

Usb utilizza solo bi-livello, quindi qui la velocità di segnalazione è la stessa della velocità dei dati. La velocità massima di 12 MB / sec è la metà della velocità di segnalazione di Ethernet Gbit ed è realizzabile. La conversione a 480 Mb / sec con un semplice binario è un compito per l'ottica o una soluzione più astuta come la parallelizzazione dei dati USB e la conversione a una velocità inferiore. Questa non è una mia idea, .. l'ho vista proposta alcune settimane fa.

In realtà ci sono molte configurazioni multimediali, schede audio che hanno problemi in cui ci sono connessioni audio, dati e di alimentazione. Le impostazioni dello stage del Prof con schede audio USB presentano problemi in cui più tastiere sono collegate allo stesso PC tramite USB e condividono anche i motivi audio e di alimentazione. Normalmente dobbiamo isolare l'audio, ma anche in questo caso è possibile ottenere rumore sui generatori audio dei dispositivi tramite le connessioni USB e di alimentazione. Spero che questo aiuti a capire.

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