Yüksek hızlı USB'nin galvanik izolasyonu imkansız mı?

Bilgisayarımdan bir USB cihazının galvanik izolasyonunu sağlayan ancak sadece düşük hızlı ve tam hızlı USB için çalışan bir USB izolatörüm var . Yüksek hızlı bağlantı sağlayan alternatif elektrik izolatörleri bulamıyorum; USB fiber genişleticilerBununla birlikte, yüksek hızlı iş hacmi ile sunulur ve belki de daha yüksek maliyetle olsa da hem galvanik izolasyon hem de yüksek bant genişliği sağlamalıdır?

USB için galvanik bir izolatörün bant genişliğinde pratik veya fiziksel bir sınırlama var mı? Gerçek fizik yasaları dahil mi, yoksa bu sadece bir mühendislik zorluğu mu yoksa maliyet meselesi mi?

Düzenle

Kendi sorumu yeniden ifade edeyim:

Fiber olmayan USB izolatörlerinin maliyeti yaklaşık 100 Euro'dur, ancak tam hızlı USB ile sınırlıdır. Yüksek hızlı USB izolatörleri mevcut değildir, bu yüzden 100 € için yapılamayacaklarını varsayıyorum, ancak önemli ölçüde daha pahalıya mal olacak (1000 € - 10000 €). Böyle bir fiyata, pazar yoktur, bu nedenle yüksek hızlı USB izolatörleri yoktur.

Dolayısıyla soru şudur: Yüksek hızlı bir USB izolatörünü tam hızlı bir USB izolatöründen çok daha pahalı yapan nedir? Tam hızlı aygıtlar için kullanılan yaklaşımın, yüksek hızlı aygıtlar için uygulanamaz ve / veya maliyet engelleyici olmasını sağlayan fiziksel bir sınırlama var mı?

Kesinlikle pazarlama ile ilgili yasalar vardır. :-)

Gigabit Ethernet ve 10G-Ethernet galvanik izolasyona sahiptir. Dolayısıyla, günümüz teknolojisiyle mümkün ve rutin bir şekilde yapılabileceği açıktır.

Fiber optik USB genişletici, ışık kaynağı ve ışık alıcısının ayrı yongalarda olması dışında, temel olarak bir opto-kuplör gibi çalışır. Bir fiber genişleticinin işlevlerini tek bir pakette birleştirmek daha ucuz olmalı, daha pahalı olmamalıdır. Optik kuplaj yerine manyetik veya kapasitif kuplaj kullanmak tekrar daha ucuz olmalıdır.

USB normalde, toprak potansiyelinde önemli farklılıkların bulunmadığı ve galvanik izolasyonun gerekli olmadığı kısa mesafeli (5 m'ye kadar) veri bağlantıları için kullanılır.

Galvanik izolasyon gerektiren veya bundan faydalanan tıbbi veya düşük elektriksel gürültü gibi birkaç uygulama vardır. Bu uygulamaların tümü uzmanlaşmıştır ve mevcut fiber genişletici çözümler galvanik izolasyon gereksinimini tamamen karşılamaktadır. Ayrıca, Bluetooth, Zigbee vb. Kablosuz çözümler de izolasyon gereksinimini karşılar (düşük hızlarda). Sonuç olarak, muhtemelen USB izolatörleri için pek bir pazar nişi yoktur.

FWIW, birkaç yıl önce yüksek voltajlı güç kaynağı alt sisteminde geliştirme çalışmaları sırasında bir fiber genişletici kullandım. Sadece izolasyona ihtiyacım vardı, elyaf tezgahta sarılı kaldı.

Bağlantılar için teşekkürler.

Düzenleme: Sorunun bir parçası olarak "Gerçek fizik yasaları dahil, ..." Hayır, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet ve hatta kablosuz çözümler gibi çok daha hızlı, galvanik olarak izole iletişim bağlantıları vardır.

“... yoksa bu sadece bir mühendislik zorluğu mu yoksa maliyet meselesi mi?” Evet, 2018 itibariyle, mühendislik zorluğu birkaç yıl öncesine göre daha az, ancak yine de önemli bir çaba olacaktır. Ancak talep çok sınırlı görünüyorsa bu tür çözümlerin geliştirilmesini kim finanse eder?

12Mbps USB aktarım hızı için hazır yalıtılmış tekrarlayıcı çipleri vardır: Analog Devices tarafından ADuM4160 veya Linear Technology tarafından LTM2884 . Şaşırtıcı bir şekilde, her ikisi de, endüktif kuplaj = silikon (CMOS?) Tamponlu alıcı-vericiler tarafından dış dünyaya arayüzlenen kuplaj elemanları olarak minyatür çip üzerinde sinyal transformatörleri içerir. Bu günlerde izolasyonun neden optik olmadığını merak ediyorsun ...

100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e veya RS422'nin hepsinin her iki yönde dengeli bir çift kullandığını ve 4 telli tam çift yönlü bir bağlantı içerdiğini unutmayın. Gigabit ve 10Gb Ethernet sadece sanırım fiber optiklerde çalışıyor.

Buna karşılık, USB düşük / tam / yüksek hızlı, ana makine ve cihazın veri yolunda konuşmaya başlaması ve bittiğinde hat sürücüsünü üç durumlu hale getirmesi gereken yarım dubleks modda tek bir dengeli çift kullanır. diğer tarafa bir şans vermek için (birçok elektrik ve çerçeve detayı farklı olsa da, RS485'e biraz benzer).

Yukarıda belirtilen yongalar dahil olmak üzere herhangi bir galvanik izolatör, yarı çift yönlü yön değiştirme iletişim tarzına saygı göstermelidir. Tek bir sinyal trafiği, DC biasing dirençleri dışında teorik olarak 12 Mbps'de çalışmalıdır ve çerçeveleme muhtemelen "ortalama DC ofset içermez", bu da pasif bir trafo kullanmayı zorlaştırır. Zayıflama bir yana.

Belki de aktif izolatörün "masayı" yeterince hızlı çevirmesi, ilk etapta iletimin sonunu tespit etmesi, günümüz silikonunda bile 480 Mbps'de "aptal bir USB tekrarlayıcı" uygulamasının uygulanmamasını sağlayan tam da bu ihtiyaçtır. Yüksek hızlı USB 2.0 (sabit akım sinyali) için elektrik arayüzünde bazı yüksek değişiklikler var, bu da yüksek hızlı USB'nin bu tür 485 tarzı RX / TX anahtarlamaya kolayca uyum sağlamamasının bir başka faktörü olabilir. dilsiz tekrarlayıcı.

"Yön değiştirme" problemine alternatif bir yaklaşım olduğuna dikkat edin: hatta bir yüksek-Z'yi analog bir şekilde tespit etmek yerine, bazı doğal gecikmeleri (gecikmeyi) beraberinde getiriyor, izolatörün USB protokolünü anlaması gerekiyor, sadece USB hub'ın yaptığı gibi - çerçevenin bir ucunun ne zaman alınacağını bilmesi için. Ve muhtemelen, bir USB hub'ın yaptığı gibi, onları diğer tarafa aktarmadan önce tüm çerçeveleri arabelleğe alır. (Veya öyle mi?) İzolatörün etkili bir şekilde orada bir yerde bir izolasyon boşluğu olan bir USB hub'ı olması gerekir.

Hub tarzı izole tekrarlayıcıların olmaması benim için biraz şaşırtıcı. ATMEL ve arkadaşları hub yapıyorlar ve Analog veya Linear (veya Avago?) İzolatörler yapıyorlar, ancak iki çete karışmıyor ...

Yüksek bit hızını bir izolasyon boşluğu üzerinde taşıma sorunu o kadar da zor olmamalıdır - yine de bu alan bile şaşırtıcı derecede "az gelişmiş" veya bir çeşit boşluğa sahip gibi görünüyor. Fiber üzerinden 10 Gb Ethernet, yıllar, bir "lazer" (en azından bir VCSEL) ile iletilen ve bir fotodiyot tarafından alınan, bitsel taban bandı SERDES (bit akımı) ile. Yine de DIL ile paketlenmiş opto-kuplörler neredeyse 50 Mbps'ye ulaşmış durumda. Boşluk nereden geliyor? Bana öyle geliyor ki DIL opto-bağlayıcılarını yapan çocuklar nispeten yavaş LED kaynaklarına ve foto-transistör alıcılarına güveniyorlar. Fiber şeyler yapan çocuklar VCSELS ve fotodiyotlarını bir fibere bağlanmak için uygun hale getirirken - ayarlanabilir öngerilim akımıyla, VCSEL vb. bu yüksek dereceli parçalar. Fiber bağlı gigabit malzemelerin genellikle elektrik arayüzlerinde AC kuplajı kullandığına dikkat edin, ancak bu büyük bir sorun olmamalı,

Belki de bu benim için endüstrinin muhafazakar eski okul görüşüdür. Belki de gigabit yüksek bant genişlikli teknoloji, sadece standartlaştırılmış veri yolları ve arayüzler açısından oynayabileceğiniz yeni bir döneme geçti ve aptal bir basit mantığı 1/0'ı tek bir sinyalde aktarabilen ayrı bileşenler yapmanın bir anlamı yok. . Belki de bu dinozor tarzı düşüncem hala böyle şeyleri birlikte hackleyebiliyor. Modern GHz dönemi, bir havya ile sıradan bilgisayar korsanlarına karşı "çıtayı yükseltiyor" gibi görünüyor. Elektronik korsanlığı, yalnızca büyük endüstri lideri satıcılar tarafından kullanılabilen pahalı ekipmanlara sahip kapalı laboratuvarlar meselesi haline gelmiştir. Kapalı bir kulüp. Şu andan itibaren, hack edebileceğiniz tek şey yazılım veya belki de önemsiz antenler.

Sinyal transformatörleri sadece düşük yüzlerce MHz'e kadar iyi görünüyor. 1000Base-TX ve özellikle 10GBase-TX, verileri tüm modülasyonlar için güce aç DSP işleme pahasına, çift başına tam çift yönlü dengeli şeritlerde "sembol başına bit" e sıkmak için harika kurnaz modülasyonun acılarını alır / lokal eko iptal / ön-eşitleme ... sadece "manyetikler" (sinyal transformatörleri) aracılığıyla kullanılabilir 200 MHz bant genişliği içine sığacak şekilde. TV anteni teknolojisine giriyorsanız, üst aralıkta, örneğin 500-800 MHz ve üstü, galvanik izolatörlerin kesinlikle kapasitif olduğunu fark etmiş olabilirsiniz. Hangi çekirdek malzemeyi seçerseniz seçin, endüktif transformatörler bu frekanslarda iyi değildir.

Sonunda ... biliyor musun? USB3 ayrı dengeli çift iletim hatları kullanıyor gibi görünüyor: TX için bir çift, RX için bir çift. Eve geliyormuş gibi geliyor.

Afedersiniz.

Kelimenin tam anlamıyla cevaplamak: hayır, günümüzde artık sınırlama yok.

Hala 400 $ 'ın altında pratik çözümler nadirdir. Bu, sadece pazarlama ve hacimli üretim değil, fiziksel veya daha ziyade elektronik bir tasarım şeyidir.

Ancak birkaç yıl önce VCSEL pahalıydı ve paralelleştirme, yalıtım maliyetini de artırıyor ve artan gecikme nedeniyle doğal protokol sorunlarına sahip (USB, yararsız seri veri yolundan bir miktar güvenilirliğe sahip bir şeye geçtiğinde memnunuz).

2015/16 bile mevcut hazır dijital izolatör IC'lerinin bit oranı, bulgularım için 150Mbit / s ile sınırlıdır. Sadece bir şirket buldum, aşağıya bakın, bir USB2 480MBit / s çip sunuyor.

Sadece AD'nin iCoupler'ın temel prensibine bakın. Darbe genişlikleri 1ns olan darbe trenlerini kullanırlar ve orijinal darbeleri, USB2 yüksek hızlı veya USB3 için yeterli bant genişliği olmayan 150Mbit / s'ye kadar aktarılabilir bit hızıyla sayısallaştırma yaklaşımı ile yeniden yapılandırırlar.

AD'nin icoupler'ın güzel yanı, ikincil tarafa güç sağlamak için enerji aktarabilmeleri (çok değil, ama yine de ...) ve çiplerinin çoğunda örneğin RX, TX ve bir Güç bobini var. Tek yapmanız gereken bazı kapasitörler eklemek. Yani beklemeye değer olacak.

Corning, VCSEL Lazerler ile yayıcılar olarak gerçek fiber optik teknikler kullanır (her zaman fiziksel olarak uygun bir şey olmuştur, ancak yakın zamana kadar uygun bir yol yoktur).

En az Corning optik USB3.0 kabloları uygun fiyatlı, 10m sürümü için 110 $. Daha sonra güç tüketen istemciler için bazı güçlendirilmiş USB3 hub'ına ihtiyacınız olabilir (200mA veya daha fazlasına ihtiyacınız varsa, ancak corning "güç yok" ileteceğini söylüyor). Ve bazı kurulumlar için kötü şansınız (veya düşük güvenilirliğiniz) olabilir, geri çevirmeye hazır olun.

Bazen patentlerden bilgi alırız. Ancak birisinin sahibi olmasa bile kullanmak için lisans ücreti ödemek zorunda kalacaktır. Avustralya Chip şirketi silanna.com tarafından bir tane buldum, bkz. Google patentleri, WO2015104606A1. Aha, Saphire kapasitif izolatör tabanlı USB2 silikonu USB2 yüksek hızlı çözümü çıktı: http://www.silanna.com/usb.html Bu nedenle, yüksek verimli DC-DC izolasyonlu bir prototip kartı bekliyoruz. üzerinde çalıştıklarını iddia ediyorlar.

Kesinlikle tüm lazerlerin yıprandığını, kapasitörlerin tuzaklarına sahip olduğunu iddia edebilirsiniz ... Ve bu nedenle AD, ortak ray reddi gibi diğer nedenlerin yanı sıra manyetik kuplaj kullanıyor. Bkz. Http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/fretely-asked-questions/icoupler_faq.pdf Burada iletilebilir bant genişliklerine karşı yalıtım kalınlığını dengelemek zorundasınız. 5GBit / s ile yakalamalarını bekleyelim, bu da kabul edilebilir bir titreşime sahip olmak için, dahili olarak 20..30Gulses / s gibi iletmek zorunda kalacaklardı, eğer icoupler tekniğini tekrar kullanırlarsa ...

Umarım şimdi sorunun değişmezlerine daha fazla şey verdim ...

Benim için, köşeyi satın alacağım, ancak digerent analog keşfime 2 güç sağlamak için USB'ye sahip olmak için kendi DC-DC izole güç kaynağımı ekleyeceğim, herhangi bir ek (duvar) fişi olmadan. Bazı optik kabloların USB2 uyumlu olmadığı bildirildiğinden, belki de küçük (1 port) USB Hub'ının köşeden sonra yerleştirilmesi gerekir. Şimdilik birlikte, bu yaklaşımı beceriksiz ve 3 modüllü bir patchwork yapıyor.

Sevgiler, Andi

Gig Ethernet'in veri hızı USB2 yüksek hızdan çok daha yüksek olmasına rağmen, aslında bunu başarmak için cat5 kablosunun 4 çiftinin tümünü kullandığını belirtmek gerekir. Ayrıca, her çiftteki elektrik sinyalleme hızını kabaca 100baseT ile, yani transformatörlerin iyi idare ettiği 25Mhz ile aynı tutmak için çoklu seviyelere (PAM5) sahip bir modülasyon şeması kullanır.

Usb sadece iki seviyeli kullanır, bu nedenle burada sinyalleme hızı veri hızıyla aynıdır. 12mbits / sn tam hız, Gbit Ethernet'in sinyal hızının yarısıdır ve erişilebilir. Basit ikili ile 480Mbits / sn dönüştürme, optik için bir görev veya usb verisini paralelleştirme ve daha düşük bir oranda dönüştürme gibi daha kurnaz bir çözümdür. Bu benim fikrim değil. Birkaç hafta önce önerildiğini gördüm.

Aslında birçok multimedya kurulumu, ses, veri ve güç bağlantılarının olduğu yerlerde ses kartları var. USB ses kartlarına sahip Prof'in sahne kurulumları, birden çok klavyenin USB üzerinden aynı PC'ye bağlandığı ve ses ve güç topraklarının paylaşıldığı sorunlar oluşturur. Normalde sesi izole etmek zorundayız, ancak o zaman bile usb ve güç bağlantıları aracılığıyla cihazların kendi ses jeneratörlerinde gürültü alabilir. Umarım bu anlamaya yardımcı olur.