טכניקות ופתרונות עבור בידוד אספקת-כוח ונתונים USB

הושק ב-1996, האפיק הטורי האוניברסלי (USB‏) הפך לשיטה המובילה לחבר ציוד היקפי למחשבים אישיים (PCs). עם קצבי נתונים USB‏ עולים ב-24 השנים האחרונות מ-1.5 מגה-ביט לשניה (Mbits/s‏) עד מעל 20 גיגה-ביט לשניה (Gbits/s‏), יצרני ציוד בדיקה ומדידה במיוחד שמו לב ויצאו לשוק עם ציוד בדיקה מבוסס-USB‏. חובבים גם כן הפיקו תועלת מהשכיחות של USB‏ ופתחו רבים מכלי המדידה הייחודיים של עצמם.

אולם, אורבת סכנה‏ פוטנציאלית כשמשתמשים או מתכננים ציוד מבוסס-USB‏ המתחבר ליציאת USB של מחשב אישי. בעוד‏ התקן תחת בדיקה (DUT) יכול להיות מוזן על ידי ספק-כוח צף, ברגע שהוא מחובר למחשב אישי מוארק לאדמה, חוגי הארקה עלולים להיכנס למשחק. כתוצאה מכך, עלולים להיווצר הפרשי פוטנציאל הארקה חמורים שיכולים לגרום נזק למעגל, או גרוע מכך, פציעה אישית.

כדי למנוע חיבורי חוג הארקה, שני נתיבי התקשורת, אספקת-כוח ונתונים, חייבים להיות מבודדים גלוונית מהארקת האדמה USB של המחשב האישי. ישנן מספר אפשרויות בידוד תקשורת נתונים, תלוי בקצב נתונים ופרוטוקול. נוסף לכך, ניתן להשתמש באסטרטגיות בידוד שונות כולל קיבולית, אופטית, ואלקטרומגנטית.

מאמר זה מגדיר בידוד גלווני לפני תאור רבות מטכנולוגיות הבידוד USB השונות והסיבות בעד ונגד כל אחת. אחר כך יציג פתרונות בידוד של העולם-האמיתי מבית Texas Instruments‏, Würth Electronik,‏ ON Semiconductor‏ ו-Analog Devices, ויראה כיצד לישם אותם ביעילות.

מהו בידוד גלווני?

במקורו, בידוד גלווני מונע זרימת זרם או הולכה בין שניים או יותר מעגלים חשמליים נפרדים, בעוד עדיין מאפשר מעבר אנרגיה ו/או מידע ביניהם.

למען הפשטות, מאמר זה יתמקד בשני מעגלים נפרדים, שיקראו כאן צד ראשוני וצד שניוני. המעגל הראשוני מוזן USB וחולק זרם נתונים דו-כיווני עם מחשב אישי מארח. האזור המפריד בין המעגלים נקרא מחסום בידוד ונבחר כדי לעמוד במתחי פריצה של מאות עד אלפי וולט. אופיינית, אוויר, סיליקון דו-חמצני (SiO₂), ‏polyimide או חומר לא-מוליך אחר מפריד בין שני המעגלים (איור 1).

איור 1: מראה דוגמה של בידוד גלווני בין כניסת ה-USB‏ בצד הראשוני של המעגל והצד השניוני. מחסום הבידוד חייב לעמוד במתחים של מאות עד אלפי וולט. (מקור תמונה: DigiKey)

העברת נתונים מבודדת

כפי שמוגדר למעלה, בידוד גלווני מאפשר העברת נתונים או מידע בין המעגלים החשמליים המופרדים. אך כיצד ניתן להשיג זאת ללא סוג מסוים של חומר מוליך בין המעגלים? ישנם מספר פתרונות פרקטיים לבעיה זו כולל אופטי, קיבולי וטכנולוגיות אלקטרומגנטיות. ישנם יתרונות וחסרונות לכל אחת מגישות אלו כפי שנידון בהמשך. עבור המתכנן, השיקול של קצבי נתונים, פריקה אלקטרוסטטית (ESD‏), הפרעות ודרישות הספק, כולם באים בחשבון כשמחליטים באיזו אסטרטגיה להשתמש.

אופטית: אחת הגישות הידועות ביותר לבידוד הוא המבודד האופטי (optoisolator) או המצמד האופטי (optocoupler). בידוד מושג על ידי השימוש בדיודה פולטת אור (LED‏) בצד הראשוני של מחסום הבידוד וטרנזיסטור רגיש לאור בצד השניוני. ה-‏ON Semiconductor FOD817‏ הוא דוגמה טובה למבודד אופטי (איור 2). נתונים משודרים תוך שימוש בפולסים של אור מה-LED אל מעבר למחסום הבידוד, שנקלטים על ידי פוטו-טרנזיסטור בתצורת קולט פתוח (open collector). כשה-LED‏ במצב מופעל, הפוטו-דיודה תחולל זרימת זרם במעגל השניוני.

בהינתן שמשתמשים באור עבור העברת נתונים, המבודד האופטי אינו רגיש להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). מהצד השלילי, קצבי העברת נתונים יכולים להיות איטיים מאחר וקצב הנתונים הוא פונקציה של מהירות המיתוג של ה-LED. כמו כן, מבודדים אופטיים נוטים להיות בעלי תוחלת חיים‏ קצרה יותר בהשוואה לטכנולוגיות אחרות בשל דגרדציה של LED עם הזמן.

איור 2: מבודד אופטי - ה-LED פולט פולסים של אור דרך מחסום הבידוד הנקלטים על ידי הפוטו-דיודה ומחוללים זרימת זרם במעגל השניוני. (מקור תמונה: ON Semiconductor)

ה-FOD817 הוא התקן ערוץ יחיד המדורג עד 5 קילו-וולט (kV) ‏rms AC למשך דקה אחת. הוא כולל LED אינפרה-אדום (IR)‏ גליום ארסניד (GaAs) הדוחף פוטו-טרנזיסטור סיליקון. היישומים יכולים לכלול מייצבי אספקת-כוח וכניסות לוגיות דיגיטליות.

בידוד אלקטרומגנטי: זו אולי הגישה הטכנולוגית הישנה ביותר לבידוד מעגלים. היסודות של השראה אלקטרומגנטית משמשים להעביר נתונים (וכוח, כפי שנדון בהמשך) בין שני סלילים. גישה זו שופרה משמעותית עם הזמן על ידי חברות כמו Analog Devices עם טכנולוגיית ה-iCoupler שלה. טכנולוגיית ה-iCoupler משבצת את סלילי השנאי בתוך מעגל משולב ומשתמשת במצע polyimide עבור מחסום הבידוד.

גישות אלקטרומגנטיות לבידוד הן יותר רגישות להפרעות שדה מגנטי ממבודדים אופטיים והן מחוללות את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) הפוטנציאליות של עצמן, שאולי יהיה צורך לטפל בהן בשלב תכנון המוצר. אולם, היתרונות הם קצבי נתונים גבוהים יותר של ‎100 Mbits/s או יותר וצריכת הספק נמוכה.

ה-ADuM1250 מבית Analog Devices מהווה דוגמה של טכנולוגיה מסוג זה (איור 3). מיועד עבור יישומי בידוד נתונים דו-כיווני I²C כגון יישומי החלפה חמה (hot-swap), ההתקן מתאפיין בקצב נתונים של עד ‎1 Mbit/s‏ ומדורג ל-2500 וולט rms למשך דקה אחת לפי UL 1577‏. הוא מושך 2.8 מיליאמפר (mA‏) של זרם כניסה (IDD1) בצד הראשוני ו-‎2.7 mA‏ של זרם בצד השניוני (IDD2)‏ במתח אספקה של 5 וולט (VDD1 ו-VDD2). שים לב שכל ערוץ I²C (קווי שעון ונתונים) ב-ADuM1250 דורש שני שנאים משובצים כדי להשיג דו-כיווניות.

אופיינית, נתונים משודרים בין סלילי השנאי תוך שימוש בסכמת מעבר של עליית או ירידת אות. בקיצור, פולסים של אחד ננו-שנייה משמשים לזיהוי השפה העולה והיורדת של אות הנתונים‏. חומרת מקודד ומפענח בנויה גם כן בהתקן.

איור 3: במבודד ADuM1250 עם I²C כפול, כל קו I²C דורש שני שנאים נפרדים כדי להשיג העברה דו-כיוונית של נתונים ושעון. (מקור תמונה: Analog Devices)

בידוד קיבולי: בידוד קיבולי מושג, כפי שמציין השם, באמצעות השימוש בקבלים (איור 4). בשל מאפייני הטכנולוגיה הקיבולית, מתח DC‏ נחסם על ידי הקבל, בעוד מתח AC‏ מורשה לזרום בחופשיות.

איור 4: בידוד קיבולי ממנף את המאפיין הקיבולי של חסימת אותות DC ומאפשר לאותות AC לזרום אל מעבר למחסום הבידוד. (מקור תמונה: Texas Instruments)

על ידי שימוש בגל נושא ‏(AC‏) תדר-גבוה עבור העברת נתונים מעבר לקבל, ניתן להעביר אינפורמציה תוך שימוש בסכמה של אפנון‏ מפתוח on-off‏ (OOK). הנוכחות של גל נושא‏ תדר-גבוה יכולה להוות יציאה דיגיטלית של אפס (LOW), והעדר גל נושא יציין אחד (HIGH) (איור 5).

איור 5: סכמת מפתוח on-off‏ (OOK) משתמשת בנוכחות או העדר אות גל נושא תדר-גבוה (AC‏) המסופק דרך מחסום הבידוד כדי להעביר אות רמה לוגית HIGH או LOW‏. (מקור תמונה: Texas Instruments)

כמו בידוד מגנטי, היתרונות של בידוד קיבולי הן קצבי העברת נתונים גבוהים (‎100 Mbit/s‏ או יותר) וצריכת הספק נמוכה. החסרונות כוללים רגישות גבוהה יותר להפרעות שדה חשמלי.

דוגמה‏ טובה של טכנולוגיית בידוד קיבולי הוא מבודד דיגיטלי ארבעה-ערוצים עם בידוד עד 5000 וולט rms‏ ISO7742 של Texas Instruments‏ . ההתקן מסופק בתצורות מרובות בהתאם לכיוון זרימת הנתונים הדרוש. הוא בעל קצב נתונים של ‎100 Mbits/s וצורך ‎1.5 mA‏ לערוץ. היישומים עבור ה-ISO7742 כוללים ציוד רפואי, ספקי-כוח ואוטומציה תעשייתית.

בידוד אספקת-כוח USB

על ידי בחינה מדוקדקת של גיליונות הנתונים של רכיבי בידוד, מתכננים ייווכחו מהר שכל צד של רכיב הבידוד דורש מקור הזנה נפרד: אחד עבור הצד הראשוני ואחד עבור הצד השניוני (VCC1 ו-VCC2), כל אחד עם ייחוס ההארקה שלו בהתאמה, כדי לשמור על מחסום הבידוד.

אם לתכן המדובר יש מקורות אספקת-כוח נפרדים, USB‏ 5 וולט בצד הראשוני וסוללה נפרדת יחד עם הארקה‏ לסוללה בצד השניוני, אז הכל משביע רצון. אולם, אם המוצר מתוכנן עבור מקור‏ יחיד, נאמר כניסת USB‏ 5 וולט בלבד, אז כיצד מסופקת אספקת המתח המבודדת השניונית? ממיר DC-DC (או דוחף שנאי) ושנאי בידוד מספקים את הפתרון. ממיר ה-DC-DC יכול לשמש להעלאה או הורדה של המתח, בעוד השנאי מספק את הבידוד הגלווני.

דוגמה לספק-כוח כזה מוצגת באיור 6 תוך שימוש בדוחף Texas Instruments SN6505 בשילוב שנאי בידוד (2500 וולט rms בידוד) Würth Elektronik 750315371. שימוש בכניסה סטנדרטית USB‏ ‏5 וולט ו-500‎ mA‏ ל-SN6505‏ בדרך כלל מספק יותר ממספיק כוח לדחיפת מעגלי הבידוד של הצד השניוני עבור העברת נתונים, כמו גם, יתכן, מעגלים נוספים כגון חיישנים. שתי הדיודות בצד המעגל השניוני מספקות יישור ביציאה. תכנים רבים מוסיפים מייצב ירידת מתח נמוכה (LDO) בשניוני עבור ייצוב מתח נקי יותר.

איור 6: דוחף שנאי Texas Instruments SN6505 משולב עם שנאי בידוד Würth Elektronik 750315371 מספק נתיב אספקת-כוח מבודד לדחיפת מעגלים בצד השניוני. (מקור תמונה: Texas Instruments)

קריטריון נוסף שיכול להפוך להיות חשוב עבור המתכנן: מקום בלוח המעגל המודפס (PCB). שימוש ברכיבים נפרדים עבור בידוד אספקת-כוח ונתונים יכול לצרוך מקום יקר על לוח. החדשות הטובות הן שישנם התקנים המשלבים בידוד אספקת-כוח והעברת נתונים גם יחד במארז אחד. דוגמה לטופולוגיה כזאת היא מבודד דיגיטלי שני-ערוצים ADuM5240 של Analog Devices (איור 7).

איור 7. מבודד דיגיטלי שני-ערוצים ADuM5240 של Analog Devices משלב בידוד אספקת-כוח ונתונים בהתקן אחד כדי לחסוך מקום. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-ADuM5240 משתמש בבידוד מגנטי מבוסס-שנאי עבור שידור אספקת-כוח כמו גם נתונים במארז יחיד כדי להקטין דרישות שטח כולל של מעגל מודפס. ה-ADuM5240 מספק בידוד של 2500 וולט rms למשך 1 דקה לפי UL 1577, וקצב נתונים של עד ‎1 Mbit/s.

בידוד נתונים USB במעלה-הזרם

כל הדוגמאות המובאות למעלה מניחות בידוד בין המעגל הראשוני לשניוני. במקרים בהם כבר קיים ציוד היקפי המתוכנן ללא חומרת בידוד נתונים, מתכננים יכולים לבצע בידוד בממשק ה-USB (כלומר: בכבל). זה למעשה דוחף את בידוד הנתונים במעלה-הזרם בין מארח ה-USB וה-USB ההיקפי (איור 8).

איור 8: אם כבר קיים ציוד היקפי המתוכנן ללא חומרת בידוד נתונים, מתכננים עדיין יכולים לספק הגנה על ידי העתקת בידוד הנתונים USB במעלה-הזרם, בין מארח ה-USB וה-USB ההיקפי. (מקור תמונה: DigiKey)

כדי לממש גישה זו, מתכננים יכולים להשתמש ב-ADuM4160 של Analog Device עם בידוד מדורג 5000 וולט rms למשך 1 דקה. פתרון זה משתמש באותה טכנולוגיית iCoupler בה דנו למעלה, אבל הבידוד מכוון אל ממשק הנתונים USB ‏(+D ו--D) (איור 9). יישומים נוספים עבור ה-ADum4160 כוללים רכזות USB מבודדות‏ והתקנים רפואיים.

איור 9: ה-Analog Devices ADuM4160 מספק‏ פתרון בידוד קו נתונים USB‏ (+D,‏ -D) שיכול להיות שימושי היכן שדרוש לספק בידוד בחיבור הכבל USB מארח-להיקפי. (מקור תמונה: Analog Devices)

שיקולי תכנון עבור בידוד

כיצד בוחר‏ מתכנן את טכנולוגיית הבידוד הטובה ביותר? כפי שהוזכר למעלה, בבחירת הטכנולוגיה הנכונה עבור המשימה שלפנינו יש להתחשב בגורמים רבים. טבלה 1 מציגה כמה מהקריטריונים האלה של תכנון בהתחשב בסוגי טכנולוגיות הבידוד השונים. כמו עם כל תכנון, יש לשקול שיקול קפדני ולהגיע להבנה מלאה של הרכיבים בהם עושים שימוש. אין תחליף לעיון מדוקדק בגיליונות נתונים ובניית אב-טיפוס עם רכיבים נבחרים.

טבלה 1: ישנם מספר גורמי מפתח שיש לקחת בחשבון בבחירה של גישת בידוד, אבל קריטי שמתכננים ילמדו בקפדנות את גיליון הנתונים ויבנו אב-טיפוס עם הרכיבים הנבחרים. (מקור נתונים: DigiKey)

בנוסף לגורמים המוגדרים בטבלה 1, יש לקחת בחשבון גורמים אחרים בעת פיתוח ציוד היקפי מבודד מבוסס-USB. לדוגמה, יש לחשב את תקציב ההספק הכולל הדרוש עבור המעגל השניוני. יש להעביר מספיק הספק מהצד הראשוני למעגל השניוני המבודד, לספק את כל ההספק הדרוש לא רק לרכיבי הבידוד, אלא גם לכל ההתקנים האחרים כגון חיישנים, נורות LED ורכיבים לוגיים.

כמו כן, כפי שהוזכר למעלה, אם משתמשים בפתרון בידוד אלקטרומגנטי, יש לקחת בחשבון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) פוטנציאליות המופקות על ידי השנאי (שנאים) בבדיקת פליטות ו/או השפעות EMI על מעגלים אחרים.

מסקנה

USB‏ ממשיך לגדול בקצבי העברת נתונים ויכולות אספקה של מקור כוח. אולם, בעת תכנון מוצרים עם ממשק נתונים ו/או אספקת-כוח USB, נבון לשמור על בידוד גלווני של מעגלי נתונים ואספקת-כוח בראש סדר העדיפויות.

כדי להשיג בידוד גלווני, לאחר ששוקלים קריטריונים רבים, כולל קצבי העברת נתונים ו-EMI, כמו גם דרישות הספק ומקום בלוח, מתכננים יכולים לבחור בין גישות אופטיות, קיבוליות, ורכיבים אלקטרומגנטיים. ללא קשר לגישה הנבחרת, ישנם פתרונות רבים כדי לעזור למתכננים להבטיח את שלמות המעגל כמו גם את הבטיחות של המתכנן ושל משתמש הקצה.