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Schaltung Isolationsschaltung für USB-Kabel

| Autor: Kristin Rinortner

Eine kostengünstige und einfache Methode, um ein Peripheriegerät in Industrie und Medizintechnik zu isolieren, das bereits über eine USB-Schnittstelle verfügt.

Bild 2: Kabel mit dem Gehäuse der Isolatorschaltung
Bild 2: Kabel mit dem Gehäuse der Isolatorschaltung
(Bild 2: Kabel mit dem Gehäuse der Isolatorschaltung)

Dieser Schaltungstipp stellt eine kostengünstige und einfache Möglichkeit vor, einen Isolationspuffer für industrielle und medizinische Peripheriegeräte zu implementieren. Der Schwerpunkt liegt auf der Isolation eines Peripheriegeräts, das bereits über eine USB-Schnittstelle verfügt.

Der Universal Serial Bus (USB) hat sich rasch zum Standard-Interface für den Großteil der PC-Peripherie entwickelt. Mit seiner herausragenden Flexibilität hinsichtlich der Übertragungsraten und seiner Hot-Swap-Unterstützung verdrängte er die RS-232-Schnittstelle und die parallele Druckerschnittstelle. Seitens der Hersteller von industriellem Equipment und Medizintechnik besteht der intensive Wunsch, den USB ebenfalls einzusetzen, doch setzt sich dieser Bus hier nicht so schnell durch, weil es bisher keine gute Möglichkeit zur Sicherstellung der Isolation gab. Diese aber ist unerlässlich für den Anschluss an Maschinen, die gefährliche Spannungen kontrollieren, oder für defibrillationssichere Verbindungen mit geringen Leckströmen in medizinischen Applikationen.

Aspekte beim Einsatz als Isolationselement

Der Baustein des Typs ADuM4160 ist vorrangig als Isolationselement für USB-Peripherie gedacht, doch gibt es auch Situationen, in denen auch ein Kabel mit eingebauter Isolationsbarriere nützlich ist. Beim Einsatz des Chips für diesen Zweck gilt es jedoch verschiedene Aspekte zu beachten. Die Puffer an der Upstream- und der Downstream-Seite sind zwar identisch und auch in der Lage, ein USB-Kabel anzusteuern. Die Downstream-seitigen Puffer müssen aber ihre Übertragungsrate abhängig davon anpassen können, ob ein Full-Speed- oder Low-Speed-Peripheriegerät angeschlossen wird. Während sich der Upstream-Anschluss wie ein Peripheriegerät verhalten muss, hat der Downstream-Anschluss wie ein Host zu agieren.

Abgesehen vom Sonderfall einer speziellen Peripherieschnittstelle, deren Übertragungsrate bekannt ist und sich nicht ändert, müssen Host-Applikationen den Typ des angeschlossenen Peripheriegeräts (High Speed oder Low Speed) erkennen und ihre Übertragungsrate entsprechend anpassen. Der ADuM4160 ist dagegen dafür konzipiert, durch äußere Beschaltung auf eine bestimmte Geschwindigkeit eingestellt zu werden. Er funktioniert deshalb, wenn eine Peripheriefunktion mit der richtigen Übertragungsrate an seine Downstream-Seite angeschlossen wird, während er bei einem Peripheriegerät mit falscher Geschwindigkeit versagt. Abhilfe hiergegen schafft man am besten, indem man den ADuM4160 mit einem Hub-Controller kombiniert.

Man kann sich die Upstream-Seite eines Hub-Controllers wie einen standardmäßigen Peripherie-Port mit fest eingestellter Übertragungsrate vorstellen, sodass er sich mithilfe des ADuM4160 einfach isolieren lässt. Die Downstream-Ports werden dagegen alle vom Hub-Controller selbst gehandhabt. In vielen Fällen kann aus praktischer Sicht ein nur für eine Übertragungsrate geeignetes Kabel durchaus sinnvoll sein, auch wenn es nicht als vollständig USB-konform zertifizierbar wäre. Dies gilt insbesondere bei Verwendung spezieller Steckverbinder, die eine Verwechslung mit echten USB-Kabeln ausschließen. Der Hub-Chip ist in diesem Fall entbehrlich, und das Design wird sehr einfach und kompakt.

Aufgaben des ADuM4160

Der ADuM4160 stellt eine kostengünstige und einfache Möglichkeit dar, einen Isolationspuffer für industrielle und medizinische Peripheriegeräte zu implementieren. Die Herausforderung liegt in der Realisierung eines busgespeisten Kabelisolators, indem der ADuM4160 mit einem kleinen isolierten DC/DC-Wandler wie dem ADuM5000 kombiniert wird. Der ADuM4160 übernimmt dabei folgende Aufgaben:

  • Direkte Isolation der USB-Adern D+ und D- in Upstream-Richtung.
  • Implementierung einer automatischen Datenfluss-Kontrolle, die ohne externe Steuerleitungen auskommt.
  • Realisierung einer für Medizintechnik geeigneten Isolation.
  • Unterstützung für Full-Speed und Low-Speed-Übertragungsraten.
  • Unterstützung für eine isolierte Stromversorgung über das Kabel.

Der Zweck der in Bild 1 dargestellten Applikationsschaltung ist die Isolation eines Peripheriegeräts, das bereits über eine USB-Schnittstelle verfügt. Die Herstellung eines vollständig konformen busgespeisten Kabels ist allerdings nicht möglich, da es keine Wandler mit 100 % Wirkungsgrad gibt, die die Busspannung über die Isolationsgrenze bringen könnten. Hinzu kommt, dass die Ruhestromaufnahme des Wandlers nicht den Vorgaben des USB-Standards bezüglich des Standby-Stroms gerecht wird.

Diese Einschränkungen kommen zu den begrenzten Fähigkeiten des ADuM4160 bezüglich der Übertragungsraten-Erkennung hinzu. Was sich dagegen realisieren lässt, ist ein entweder nur für eine Übertragungsrate ausgelegtes oder per Schalter umschaltbares Kabel, das dem in Downstream-Richtung angeschlossenen Peripheriegerät eine im Rahmen bleibende elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Spezial-Applikation, die den USB-Standard nicht in vollem Umfang einhält.

Schaltungsbeschreibung

Die Versorgungsspannung für den USB-Anschluss in Upstream-Richtung wird aus der am USB-Kabel verfügbaren VBUS-Spannung von 5 V bezogen. Die Busspannung versorgt außerdem einen ADuM5000, mit dem die Spannung VBUS2 für die Downstream-Seite des ADuM4160 erzeugt wird, wobei für die angeschlossene Peripheriefunktion bis zu 100 mA verfügbar sind. Ausschlaggebend für die Wahl des ADuM5000 sind seine hohe Isolationsspannung und seine kleinen Abmessungen. Überdies liefert er ausreichend Leistung für kleine busgespeiste Geräte (z. B. Maus, Tastatur oder USB-Stick).

 Bild 2: Kabel mit dem Gehäuse der Isolatorschaltung Bild 2: Kabel mit dem Gehäuse der Isolatorschaltung

Der Baustein nutzt Chip-Scale-Mikroübertrager und arbeitet deshalb mit sehr hohen Schaltfrequenzen. Es müssen deshalb Maßnahmen zur Minimierung der Störabstrahlungen getroffen werden, indem das Kabel mit Ferritperlen versehen wird und die Empfehlungen in der Applikationsschrift AN-0971beachtet werden. Damit das System die EMI/RFI-Tests besteht, sind für das Layout, die Entkopplung und die Masseverbindung spezielle Techniken anzuwenden. Entsprechende Anleitungen finden sich in den Tutorials MT-031 und MT-101. Komplette Layout- und Gerber-Files für den USB-Kabelisolator auf Basis des ADuM4160 gibt eshier.

Die Kabelisolator-Applikation mit dem ADuM4160 bietet verschiedenen Optionen bezüglich der Stromversorgung, der Busgeschwindigkeit und des ESD/EOS-Schutzes, über die zu entscheiden ist. Peripheriegeräte arbeiten entweder mit Low Speed (1,5 MBit/s), Full Speed (12 MBit/s) oder High Speed (480 MBit/s). Der ADuM4160 unterstützt allerdings den High-Speed-Betrieb nicht und blockiert die Handshake-Signale, mit denen diese Übertragungsrate angefordert wird.

Der High-Speed-Modus beginnt als Full-Speed-Konfiguration. Anschließend fordert das Peripheriegerät die High-Speed-Unterstützung mit einem Prozess an, der als ‚High Speed Chirp‘ bezeichnet wird. Dieser wird jedoch vom ADuM4160 ignoriert, sodass die entsprechende Anforderung nicht an den Host weitergeleitet wird und das Peripheriegerät automatisch im Full-Speed-Modus verbleibt. Die Applikation umfasst einen Schalter und einen Einkanal-Isolator, der dem Anwender die Möglichkeit gibt, die Übertragungsrate des Kabels durch Setzen der SPU und SPD-Pins festzulegen. Dieses Feature ist optional und kann entfallen, wenn eine einzige Übertragungsrate ausreicht.

Stromversorgung

Die Stromversorgung erfolgt über die VBUSx-Pins, und die Signalisierungsspannung von 3,3 V wird von internen 3,3-V-Reglern am VDDx-Pin bereitgestellt. Der ADuM4160 unterstützt überdies auch andere Stromversorgungs-.Konfigurationen, auf die in anderen Circuit Notes eingegangen wird. In der in Bild 1 gezeigten Schaltung sind die Upstream und die Downstream-Seite des ADuM4160 so eingerichtet, dass die Stromversorgung aus den VBUSx-Leitungen und den internen Reglern bezogen wird.

Der ADuM4160 bietet die Option zur Verzögerung des Upstream-seitigen Pull-ups unter der Kontrolle des Peripheriegeräts. Diese Funktion wird über den Eingang PIN gesteuert, der in der vorliegenden Applikation fest auf High gelegt wird, sodass das Pull-up auf der Upstream-Seite aktiv wird, sobald das Peripheriegerät mit Strom versorgt wird.

Die in dieser Schaltung verwendeten Schutzbausteine stammen von Herstellern mit einer großen Angebotsvielfalt. Die einzelnen Bauteile wurden so gewählt, dass sie mit 0-Ω-Komponenten kurzgeschlossen werden können und damit praktisch aus der Schaltung entfernt werden. In welchem Umfang ein Schutz erforderlich ist, muss der Designer entscheiden. Vom völligen Fehlen externer Schutzvorkehrungen bis zur Ausstattung mit der ganzen Palette von Überspannungsableitern und Filter-Elementen ist hier alles möglich. Die in dieser Applikation verwendeten Schaltungselemente demonstrieren, welche Art von Schutz in Frage kommt.

Während des Betriebs erkennt die Schaltung Datenpakete und überträgt sie von einer Seite der Isolationsbarriere an die andere. Die Bilder 3 und 4 visualisieren eine typische Full-Speed-Transaktion im Zeitbereich bzw. als Augendiagramm. Besondere Beachtung in den Echtzeitdaten verdienen der passive Idle-Status am Beginn des Pakets, der zu einem Driven-J wird, sowie der End-of-Packet-Status am Schluss der Transaktion, zu erkennen an einem massebezogenen Null-Status gefolgt von einem Idle-J. Es sind die automatische Ablaufsteuerung und die Handhabung dieser speziellen Logikzustände, die den ADuM4160-Chip möglich machen und ihn zu seiner Sonderstellung auf dem Markt verhelfen.

Kabeldesign für Transienten bis 2,5 kV

Das Kabeldesign ist für Transienten bis zu 2,5 kV vollständig vom Datenanschluss in Upstream-Richtung isoliert. Künftige isoPower-Module werden die volle, für Medizintechnik erforderliche Isolation des Kabels bis 5 kV unterstützen. Der Downstream-Port wird aus der Upstream-seitigen VBUS1-Leitung. Damit ist die für die Applikation verfügbare Leistung auf 500 mA bei 5 V begrenzt.

 Bild 3: Übertragung eines Full-Speed-Testpakets getrieben vom Upstream-Port des ADuM4160 Bild 3: Übertragung eines Full-Speed-Testpakets getrieben vom Upstream-Port des ADuM4160

Dies ist das Maximum, das einem standardmäßigen USB-Port zur Verfügung steht, und reicht aus für den Betrieb des ADuM5000 mit einem externen Verbraucher von 100 mA. An die Downstream-Ports kann Low-Speed , Full-Speed und High-Speed-Peripherie angeschlossen werden, jedoch muss das Kabel manuell zwischen Low und Full-Speed umgeschaltet werden. Die Sicherheit des Designs stützt sich auf den eingebauten Kurzschlussschutz des ADuM5000.

Die in den Bildern 3 und 4 wiedergegebenen Daten werden im Rahmen des USB-IF-Qualifizierungsprozesses generiert. Bild 3 zeigt ein Test-Datenpaket, das vom Upstream-Port des ADuM4160 an den Host übertragen wird. Beachtenswert ist unter anderem der anfängliche Idle-Status, in dem das passive Widerstandsnetzwerk für einen Idle-J-Status sorgt. In der Mitte des Pakets findet sich eine Mixtur aus J und K-Zuständen. Rechts ist ein EOP-Marker (End Of Packet) zu sehen, bei dem es sich um eine massebezogene 0, gefolgt von einem Driven-J-Zustand handelt. Letzterer geht in einen Idle-J-Zustand über.

Der Signalqualitäts-Test in Upstream-Richtung mit Full-Speed ist in der USB-2.0-Spezifikation, Abschnitt 7.1.11. und Abschnitt 7.1.2.1 beschrieben, der Anstiegszeit-Test in Upstream-Richtung mit Full-Speed in der USB-2.0-Spezifikation Abschnitt 7.1.11. und Abschnitt 7.1.2.2 und die Abfallzeit-Prüfung in Upstream-Richtung mit Full-Speed in der USB-2.0-Spezifikation Abschnitt 7.1.11. und Abschnitt 7.1.2.2.

 Bild 4: Dieses im Full-Speed-Modus aufgezeichnete Augendiagramm gibt auch die zu meidende Zone wieder Bild 4: Dieses im Full-Speed-Modus aufgezeichnete Augendiagramm gibt auch die zu meidende Zone wieder

Das bei Full-Speed aufgezeichnete Augendiagramm zum ADuM4160 in Bild 4 ist weit geöffnet und weit entfernt vom verbotenen Bereich. Ähnliche Daten werden auch für die Bewertung im Low-Speed-Modus verwendet.

Dieser Schaltungstipp verwendet das „CN0159 USB Cable Isolator Circuit Board“, das speziell zum Evaluieren und Testen der hierin beschriebenen Schaltung entwickelt wurde. Einen genauen Schaltplan dieser Schaltung zeigt Bild 1.

Erforderliche Ausrüstung und Starthilfe

Benötigt werden eine USB-Datenport-Verbindung mit einem Upstream/Downstream-Datenpfad, das CN0159 Universal Serial Bus (USB) Cable Isolator Circuit Board oder ein vergleichbares Board sowie zwei USB-Kabel und ein schnelles Digitaloszilloskop.

Der Schaltungstipp CN0159 enthält die Schaltungsbeschreibung, einen Schaltplan und eine Darstellung des Testaufbaus. Sie beschreibt außerdem, wie die Tests durchzuführen sind und wie die Daten eingeholt werden. Details zum CN0159 USB Cable Isolator Circuit Board mit Gerber-Files, Stückliste und weiteren Informationen finden sich unter dieser Internetadresse. Informationen zu den in der Schaltung verwendeten Isolator-Bauteilen enthalten die Datenblätter der Bausteine ADuM1100, ADuM4160 und ADuM5000 sowie der ADuM4160 Evaluation Board User Guide UG-043 und der Evaluation Board User Guide UG-042 zu den Digitalisolatoren im SOIC-16- und QSOP-16-Gehäuse.

Der Autor:  Mark Cantrell ist als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Norwood/USA tätig.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.