高速 USB 的电流隔离是不可能的吗?

电器工程 USB 隔离
2022-01-16 13:19:19

我有一个USB 隔离器,它提供 USB 设备与我的 PC 的电流隔离,但仅适用于低速和全速 USB。我找不到任何提供高速连接的替代电隔离器;然而, USB 光纤延长器具有高速吞吐量,应该同时提供电流隔离和高带宽,尽管成本可能更高?

USB 电流隔离器的带宽是否存在实际或物理限制?是否涉及实际的物理定律,或者这仅仅是一个工程挑战或成本问题?

编辑

让我重新表述我自己的问题:

非光纤 USB 隔离器的价格约为 100 欧元,但仅限于全速 USB。高速 USB 隔离器不存在,所以我认为它们不能以 100 欧元的价格制造,但成本会高得多(1000 欧元?10000 欧元)。在这样的价格下,没有市场,因此没有可用的高速 USB 隔离器。

因此,问题是:是什么让高速 USB 隔离器比全速 USB 隔离器贵这么多?用于全速设备的方法是否存在物理限制,使其不适用于高速设备和/或成本过高?

4个回答

肯定有营销规律。:-)

千兆以太网和 10G 以太网具有电流隔离。所以,很明显,用今天的技术是可能的,而且是常规的。

光纤 USB 扩展器的工作原理基本上有点像光耦合器,只是光源和光接收器位于不同的芯片上。将光纤延长器的功能组合到一个封装中应该更便宜,而不是更贵。使用磁耦合或电容耦合代替光耦合应该更便宜。

USB 通常用于短距离(最长 5m)的数据连接,其中不存在显着的接地电位差异并且不需要电流隔离。

有一些应用,例如医疗或低电噪声,需要电流隔离或受益于电流隔离。所有这些应用都是专门的,现有的光纤延长器解决方案完全满足电流隔离要求。此外,蓝牙、Zigbee 等无线解决方案也满足隔离要求(低速)。总之,USB 隔离器可能没有太大的市场利基。

FWIW,几年前我在高压电源子系统的开发工作中使用了光纤延长器。我只需要隔离,光纤仍然盘绕在工作台上。

感谢您的链接。

编辑:至于问题的一部分“是否涉及实际的物理定律,......”不,有许多更快的、电隔离的通信链路,如千兆以太网、10G 以太网甚至无线解决方案。

“……或者这仅仅是一个工程挑战或成本问题?” 是的,截至 2018 年,工程挑战比几年前要小,但仍将是一项重大的努力。但是,如果需求显得非常有限,谁会资助此类解决方案的开发呢?

有现成的 12Mbps USB 传输速率隔离中继器芯片: ADI 公司的ADuM4160或凌力尔特公司的 LTM2884令我惊讶的是,两者都包含电感耦合 = 微型片上信号变压器作为耦合元件,通过硅 (CMOS?) 缓冲收发器与外界接口。让我想知道为什么这些天隔离不是光学的......

请注意,100Base-TX 以太网、SATA、PCI-e 或 RS422 在任一方向都使用平衡对,共同构成 4 线全双工链路。我猜千兆和 10Gb 以太网只能在光纤上以这种方式工作。

相比之下,USB 低/全/高速使用单个平衡对,在半双工模式下,主机和设备轮流在总线上通话,并且在完成后必须对线路驱动器进行三态说话,给对方一个机会(有点类似于RS485,虽然很多电气和框架细节不同)。

任何电流隔离器,包括上面提到的芯片,都必须尊重半双工方向切换的通信方式。理论上,单个信号传输器应该以 12 Mbps 的速度工作,除了直流偏置电阻器,并且帧可能也不是“平均没有直流偏移”,因此很难仅使用无源传输器。衰减一边。

也许正是这种需要有源隔离器足够快地“扭转局面”,首先检测传输结束,这使得实现 480 Mbps 的“愚蠢的 USB 中继器”变得不切实际,即使在今天的硅片中也是如此。据推测,高速 USB 2.0 的电气接口(恒流信号)还有一些其他变化,这可能是高速 USB 不容易适应这种 485 式 RX/TX 切换的另一个因素。愚蠢的中继器。

请注意,对于“方向切换”问题有另一种方法:不是以模拟方式检测线路上的高阻抗,这会带来一些固有的延迟(滞后),隔离器必须了解 USB 协议,只需就像 USB 集线器一样 - 这样它就会知道何时预期当前接收到的帧结束。并且可能,它会缓冲整个帧,然后将它们中继到另一端 - 就像 USB 集线器一样。(或者是吗?)实际上,隔离器必须成为 USB 集线器,其中某处有隔离间隙。

令我惊讶的是,没有集线器式的隔离中继器。可能是因为 ATMEL 和朋友们制造集线器,而 Analog 或 Linear(或 Avago?)制造隔离器,但这两个帮派不混合......

在隔离间隙上传输高比特率的问题应该不是那么困难 - 但即使是这个区域似乎也令人惊讶地“不发达”,或者似乎遭受了某种差距。10Gb 光纤以太网已经存在多年,使用按位基带 SERDES(比特流),由“激光器”(至少是 VCSEL)传输并由光电二极管接收。然而,DIL 封装的光耦合器几乎没有达到 50 Mbps 左右。差距从何而来?在我看来,制造 DIL 光耦合器的人依赖于相对较慢的 LED 光源和光电晶体管接收器。虽然制造光纤的人使他们的 VCSELS 和光电二极管适合耦合到光纤 - 具有可调节的偏置电流,在 VCSEL 上绑有一个本地反馈二极管等。显然没有人想到用那些高档零件。请注意,光纤耦合千兆的东西通常在电接口上使用交流耦合,但这应该不是什么大问题,

就我而言,也许这只是对该行业的保守老派观点。也许千兆高带宽技术已经进入了一个新时代,你只能在标准化的总线和接口方面发挥作用,而制造能够在单个信号上传输愚蠢的简单逻辑 1/0 的分立元件是没有意义的. 也许这只是我恐龙式的想法,你仍然可以像那样把东西拼凑在一起。现代的 GHz 时代似乎用烙铁“提高了标准”来对付随便的黑客。电子黑客已经成为一个封闭的实验室,拥有昂贵的设备,只有行业领先的大供应商才能使用。这是一个封闭的俱乐部。从现在开始,你能破解的只有软件,或者一些微不足道的天线。

信号变压器显然只适用于低数百 MHz。1000Base-TX,尤其是 10GBase-TX 非常费力地采用巧妙的调制方式,在每对全双工平衡通道上将数据压缩成许多“比特/符号”,代价是所有调制都需要耗电的 DSP 处理/ 本地回声消除 / 预均衡......只是为了适应通过“磁”(信号变压器)提供的可能 200 MHz 的带宽。如果您对电视天线技术感兴趣,您可能已经注意到在上限范围内,例如 500-800 MHz 及以上,电流隔离器是严格电容的。无论您选择何种磁芯材料,电感变压器在这些频率上都表现不佳。

最后……你知道吗?USB3 似乎使用单独的平衡对传输线:一对用于 TX,一对用于 RX。感觉就像回家一样。

对不起。

从字面上回答:不,现在已经没有限制了。

<400 美元的实用解决方案仍然很少见。这又是物理或电子设计的东西,不仅仅是营销和批量生产。

但几年前,VCSEL 价格昂贵,并行化也增加了绝缘成本,并且由于延迟增加而存在固有的协议问题(当 USB 从无用的串行总线转变为具有一定可靠性的东西时,我们很高兴)。

即使在 2015/16 年,可用的现成数字隔离器 IC 的比特率也是有限的,根据我的发现,只有 150Mbit/s。我发现只有一家公司(见下文)提供 USB2 480MBit/s 芯片。

只要看看 AD 的 iCoupler 的基本原理。他们使用脉冲宽度为 1ns 的脉冲序列,并通过这种数字化方法重建原始脉冲,可传输比特率高达 150Mbit/s,这对于 USB2 高速或 USB3 来说是不够的带宽。

AD 的 icoupler 的好处是它们能够传输能量来为次级侧提供电力(不是很多,但仍然......),并且他们的许多芯片都有例如 RX、TX 和一个电源线圈。您所要做的就是添加一些电容器。所以等待是值得的。

康宁使用真正的光纤技术,将 VCSEL 激光器用作发射器(在物理上一直是可行的,尽管直到最近还没有负担得起的方法)。

至少康宁光纤 USB3.0 电缆价格实惠,10m 版本为 110 美元。之后您可能需要一些供电的 USB3 集线器用于耗电的客户端(如果您需要超过 200mA 左右的电流,但康宁表示它会“无电”传输)。对于某些设置,您可能运气不佳(或可靠性低),请准备好将其退回。

有时我们会从专利中获取信息。但是如果不是所有者,则有人必须为使用它支付许可费。我在澳大利亚芯片公司 silanna.com 上找到了一个,参见谷歌专利,WO2015104606A1。啊哈,他们的基于 Saphire 电容隔离器的 USB2 硅芯片的 USB2 高速解决方案已经推出:http ://www.silanna.com/usb.html 所以我们等待包含高效 DC-DC 隔离的原型板,如他们声称正在努力。

您可以肯定地说所有激光器都会磨损,电容器都有缺陷,等等……这就是 AD 使用磁耦合的原因,以及共轨拒绝等其他原因。请参阅http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf 您必须在隔离厚度与可传输带宽之间进行权衡。让我们等待他们赶上 5GBit/s,这意味着,要获得可接受的抖动,如果他们重新使用 icoupler 技术,他们必须在内部传输 20..30Gpulses/s……


希望我现在已经对问题的文字提供了更多信息......

对我来说,我会购买康宁,但会添加我自己的 DC-DC 隔离电源,以通过 USB 为我的 digilent 模拟发现 2 供电,无需任何额外的(墙壁)插头。由于据报道某些光缆不兼容 USB2,因此可能必须在康宁之后放置一些小型(1 端口)USB 集线器。就目前而言,这使得该方法变得笨拙并且由 3 个模块拼凑而成。

你的,安迪

值得注意的是,虽然千兆以太网的数据速率远高于 USB2 高速,但实际上它使用了全部 4 对 cat5 电缆来实现这一点。此外,它使用多级调制方案 (PAM5) 来保持每对上的电信号速率与 100baseT 大致相同,即大约 25Mhz,变压器可以很好地处理这一点。

Usb 仅使用双电平,因此这里的信令速率与数据速率相同。12mbits/sec 全速率是 Gbit 以太网信令速率的一半,并且是可以实现的。480Mbits/sec 的简单二进制转换是光学的任务,或者是更巧妙的解决方案,例如并行化 USB 数据并以较低的速率转换。这不是我的想法,.. 我在几周前看到它提出了。

实际上有许多多媒体设置,声卡在音频、数据和电源连接方面都有问题。使用 USB 声卡的 Prof' 舞台设置存在多个键盘通过 USB 连接到同一台 PC 并共享音频和电源接地的问题。通常我们必须隔离音频,但即便如此,设备自身的音频​​发生器也会通过 USB 和电源连接产生噪音。希望这有助于理解。