Гальваническая развязка usb это

Обновлено: 06.07.2024

Повсеместное внедрение персональных компьютеров привело к изменениям представлений об архитектуре медицинских систем. Теперь в основе типичной системы — компьютер, на котором находится специализированное программное обеспечение и к которому подключены специализированные устройства. Такой подход способствует сокращению времени на разработку системы, так как многие ее компоненты поставляются как компьютерные и доступны по низким ценам. Кроме того, к такой системе легко подключаются другие системы (например, портативный компьютер для сервисного обслуживания) и периферия (принтер, клавиатура, мышь). Однако такое подключение часто осложняется из-за отсутствия простой, недорогой гальванической развязки стандартных компьютерных интерфейсов.

Интерфейс RS-232 изолировать довольно легко, но он встречается все реже и реже, уступая место USB как более гибкому и высокоскоростному интерфейсу, для которого сейчас существует огромный выбор периферии. Однако в отличие от RS-232, гальванически развязать интерфейс USB гораздо труднее, потому что он дифференциальный и двунаправленный. До недавнего времени схемы изоляции USB предполагали использование контроллеров USB, изоляторов-оптопар и других компонентов; это повышало себестоимость системы и увеличивало время разработки. Новый прибор, ADuM4160 от фирмы Analog Devices, включает в себя все необходимые функциональные узлы для гальванической развязки интерфейса USB в медицинских приборах, не требует дополнительных компонентов; он может быть внедрен непосредственно в сигнальную цепь интерфейса USB без модификации программного обеспечения компьютера или периферийного устройства.

Интерфейсы с гальванической развязкой: обзор вопроса и терминология

В медицинских системах гальваническая развязка используется для защиты оператора, пациента, самой медицинской системы или для отделения «шумящей» части системы от другой, чувствительной к шумам. Устройства гальванической развязки, применяемые для безопасности, регулируются стандартами, такими как UL и IEC. Например, стандарт IEC 60601 описывает требования безопасности для медицинских систем, а IEC 60950 — оборудование, применяемое в информационных технологиях.

В описаниях стандартов безопасности применяются некоторые термины, относящиеся к качеству изоляции медицинских систем:

Напряжение изоляции — это переменное напряжение, которое устройство гальванической развязки может выдерживать в течение 1 минуты. Типичная величина — 2,5 кВ (среднеквадратичное значение) в течение 1 минуты, но к медицинским устройствам обычно требования выше, они должны выдерживать 5 кВ в течение 1 минуты.
Рабочее напряжение изоляции — это напряжение, которое постоянно может быть приложено к изоляционному барьеру. В отличие от предыдущего параметра — напряжения изоляции — здесь время воздействия не ограничено. Типичная величина рабочего напряжения изоляции — около 400 В (скз).
Двойная изоляция — этот термин применяется, когда в устройстве есть две независимые системы изоляции. Сегодня большинство стандартов рассматривают одинарную изоляцию, но по надежности эквивалентную двойной изоляции, как двойную изоляцию. Этот термин широко используется в стандартах UL.
Усиленная изоляция — то же самое, что двойная изоляция; этот термин широко применяется в стандартах IEC, например в IEC 60601-1. Для медицинских систем часто необходима усиленная изоляция. В системах с более низкими требованиями может применяться одинарная или функциональная изоляция.
Еще два важных параметра — это расстояние по поверхности корпуса между двумя ближайшими проводниками по разные стороны изолирующего барьера и кратчайшее расстояние по воздуху между двумя ближайшими проводниками. Требуемое расстояние по поверхности и по воздуху для конкретной конструкции зависит от разных факторов — требований стандарта, типа изоляции, рабочего напряжения изоляции и т. д.

В медицинских системах для безопасности пациента обычно нужна усиленная изоляция, при рабочем напряжении 125 или 250 В и расстоянии по поверхности и по воздуху — не менее 8 мм.

Уровень изоляции определяется тем, как скомпонована система. На рис. 1 показана блок-схема некой гипотетической медицинской системы с различными интерфейсами. На схеме можно видеть, где и как применена гальваническая развязка. Пациент должен быть изолирован от основной системы, так что изоляция применена в точках B, C и D. Во многих случаях точка D отсутствует, потому что датчик или другое устройство подключено непосредственно к пациенту. В других случаях, например в ультразвуковых сканнерах, изоляцией в точке D является пластиковый кожух головки датчика. В точке C информация находится все еще в аналоговом виде, и обеспечивать здесь гальваническую изоляцию с одновременным обеспечением высокой точности — очень дорого. Таким образом, изоляцию лучше всего обеспечивать в точке B. При этом оператор и периферия остаются незащищенными, так что изоляция может быть применена и со стороны оператора/периферии.

Рис. 1. Блок-схема типичной медицинской системы с возможными точками гальванической развязки

Медицинские стандарты безопасности разрешают применение двух типов изоляции: средства защиты пациента (СЗП) и средства защиты оператора (СЗО). СЗП регулируются стандартом IEC 60601, тогда как СЗО регулируется менее строгими стандартами, такими как IEC 60950. В приведенном примере система может быть скомпонована так, что для интерфейса в точке B потребуется сертификация IEC 60601, тогда как для точек A, E, F и G может оказаться достаточно стандарта IEC 60950.

Некоторые медицинские системы обеспечивают высочайший уровень безопасности за счет высококачественной (в соответствии с IEC 60601) изоляции во всех интерфейсах, так как пациент может оказаться в контакте с периферийными устройствами. К тому же часть системы, подключенная к пациенту, может быть рассмотрена как периферия и подключена к любому порту: E, F или G. Стандарт IEC 60601 также предусматривает защиту от высоковольтных дефибрилляторов. Если интерфейс не соответствует стандарту IEC 60601, то все устройства, подключенные к пациенту через этот интерфейс, должны отключаться на время дефибрилляции. Здесь время крайне дорого.

Области применения USB

Внутрисистемные интерфейсы, такие как A, B и C на рис. 1, это обычно UART, SPI или I 2 C. Их выбор обусловлен преимуществами низкой цены, производительности и размеров. Для внешних же интерфейсов разработчики предпочитают такие качества, как универсальность и совместимость. Раньше для подобных случаев применялся RS-232, но сейчас этот интерфейс встречается все реже и реже, особенно на переносных компьютерах, и количество внешних устройств под этот интерфейс тоже сильно уменьшилось.

USB же, напротив, становится все более популярным, и для него имеется огромное количество разнообразной периферии. Кроме того, возможность подключения «на ходу» (Plug-and-Play) — существенное преимущество интерфейса USB.

В медицинском оборудовании USB может использоваться не только оператором, но и самим пациентом. Например, пациент может использовать медицинский прибор дома, а затем загрузить данные на карту памяти USB, чтобы принести врачу для определения диагноза. Через USB к основной системе также могут подключаться датчики или другие измерительные приборы. Одно из преимуществ USB — в том, что к одной шине может быть подключено до 127 устройств, так что даже если доступен только один USB-порт, к нему может быть подключено много периферийных приборов. Порт RS-232, например, позволяет подключить к нему только одно устройство.

Изоляция USB

Итак, USB имеет несколько существенных преимуществ по сравнению с RS-232:

Подключение до 127 устройств к одной шине.
Автоматическое определение и активация оборудования (Plug-and-Play).
Подключение «на ходу».
Высокая скорость передачи данных (1,5; 12; 480 Мбит/с).
Совместимость с промышленными стандартами.
Широкое распространение на персональных и портативных компьютерах.

Несмотря на эти преимущества, внедрение USB в медицинских системах было не таким быстрым, как в других областях применения компьютеров, потому что особенность этого сегмента — в обязательном наличии изоляции. Хотя USB имеет много преимуществ по сравнению с RS-232, но изолировать его оказывается гораздо сложнее.

USB трудно гальванически развязать, потому что он дифференциальный, двунаправленный и требует конфигурирования (с помощью «подтягивающих» резисторов) для определения скорости шины. Двунаправленность сама по себе представляет собой большую проблему, так как необходимы какие-то средства определения направления передачи данных; в изолированном интерфейсе USB эта информация должна передаваться через изолирующий барьер. Направление потока данных здесь определяется структурой данных, а не управляющими сигналами.

Интерфейс USB включает в себя 4 линии: VDD; D+; D-; VSS.

VDD — это питание +5 В, VSS — это «земля», D+ и D- представляют собой дифференциальные линии. Еще более усложняет проблему то, что D+ и D- могут использоваться и в одно-полярном режиме и применяются для определения состояния шины. «Подтягивающие» к питанию или к «земле» резисторы на периферийной стороне интерфейса устанавливают его скорость или состояние ожидания. Согласно стандарту данные могут передаваться на одной из трех скоростей:

1,5 Мбит/с (Low Speed — низкая скорость);
12 Мбит/с (Full Speed — полная скорость);
480 Мбит/с (High Speed — высокая скорость).

Стандарт USB 2.0 поддерживает все три скорости, тогда как USB 1.1 — только скорости 1,5 и 12 Мбит/с. Важно отметить, что устройство может быть совместимо с USB 2.0, но не поддерживать скорость 480 Мбит/с.

Так как обычные оптопары являются по своей природе однонаправленными, то при использовании их в интерфейсе USB сигналы USB должны быть преобразованы в однонаправленные, как показано на рис. 2а. Здесь линии D+/D- преобразуются в однополяр-ный, однонаправленный сигнал интерфейса SPI. Эти сигналы гальванически развязываются, а затем преобразуются обратно в сигнал USB с помощью контроллера USB (USB SIE). Как видите, такой подход подразумевает наличие многих компонентов и увеличивает количество сигнальных линий. Это решение дорогое, занимает много места на плате, требует дополнительного времени для разработки программного обеспечения. Сложность этого устройства и является причиной того, что в промышленности, медицине и измерениях интерфейсы USB внедрялись не так быстро.

Рис. 2. Варианты изоляции интерфейса USB: а) ADuM1401; б) ADuM4160

ADuM4160 — устройство для гальванической развязки uSB

Простой, недорогой и эффективный способ обеспечить гальваническую развязку USB — это применить специализированный изолятор USB, который может быть внедрен непосредственно в линии D+/D- интерфейса USB. ADuM4160 — это первый такой прибор, обеспечивающий усиленную изоляцию на напряжение до 5 кВ с поддержкой низкой (Low) и полной (Full) скоростей.

ADuM4160 обеспечивает показанную на рис. 2б функциональность и представляет собой однокорпусную микросхему, созданную с помощью технологии iCoupler фирмы Analog Devices. Это наиболее простое устройство, где в шину USB вставлен специализированный прибор — изолятор USB ADuM4160, и при этом не требуются дополнительные компоненты (не считая пассивных). ADuM4160 может сберечь до 75% площади занимаемой блоком гальванической развязки на печатной плате, по сравнению с альтернативными решениями. В отличие от опто-пар, традиционных устройств, в которых для передачи сигнала через изолирующий барьер используются светодиоды и фототранзисторы, технология iCoupler позволяет передать сигнал с помощью микроскопических плоских трансформаторов, в которых катушки разделены пленкой полиимида толщиной 20 мкм. Эта пленка может выдерживать напряжение до 6 кВ. Данные передаются с помощью электрических импульсов. На рис. 3 показана структура трансформатора, а на рис. 4 — как фронты сигнала кодируются с помощью одинарных или сдвоенных импульсов длительностью 1 нс. Эти импульсы обрабатываются на приемной стороне для восстановления сигналов.

Рис. 3. Устройство трансформатора iCoupler

Рис. 4. Технология передачи данных через изолирующий барьер в приборах iCoupler

Восходящий и падающий фронты кодируются соответственно сдвоенными и одинарными импульсами (рис. 4). На приемной стороне импульсы декодируются с целью восстановления данных. Схема «обновления» повторно передает данные каждую микросекунду, даже если сигнал не меняется, для корректной передачи постоянных сигналов.

Приборы iCoupler имеют массу преимуществ по сравнению с оптопарами. Использование трансформаторов позволяет передавать данные в любом направлении через изоляционный барьер. Хотя в ADuM4160 для передачи и приема сигналов используются отдельные трансформаторы, все трансформаторы одинаковы и находятся в одном корпусе. Это невозможно сделать в случае применения оптопар; аналогичное решение потребовало бы отдельных корпусов для каждого направления передачи.

Кроме того, трансформаторы более быстро действуют, чем пара светодиод/фототранзи-стор. Это позволяет приборам iCoupler поддерживать более высокие скорости передачи и обеспечивать меньшую задержку, что важно для интерфейса USB. Изоляторы iCoupler потребляют меньше энергии, и это дает возможность приборам соответствовать требованиям по энергопотреблению USB в состоянии ожидания.

Но, пожалуй, самое существенное преимущество технологии iCoupler состоит в том, что они позволяют интегрировать дополнительные функциональные узлы в микросхему, как это сделано в приборах ADuM4160. Выше уже говорилось о том, что ADuM4160 позволяет на 75% уменьшить место, занимаемое на плате, по сравнению с альтернативным решением на контроллерах USB, микроконтроллере и оптопарах.

Преимущества гальванически развязанного интерфейса uSB

С наличием недорогой, компактной и простой в реализации схемы гальванической развязки при разработке медицинских приборов можно воспользоваться всеми преимуществами, которые дает интерфейс USB. В промышленных системах отсутствие гальванической развязки интерфейса USB приводило к тому, что USB использовался для временных подключений; оператор подключал USB-интерфейс, только когда подключаемое оборудование отключено от остальной системы. Гальванически развязанный USB позволяет обеспечить постоянное подключение даже во время работы системы, что, например, дает возможность техническому персоналу проводить диагностику без приводящего к убыткам отключения системы.

В медицинских приборах изолированные порты USB в домашних системах наблюдения пациента (мониторах) позволяют обеспечить дистанционное наблюдение больного врачом в реальном времени и таким образом повысить качество лечения. С помощью изолированного интерфейса USB пациент может быть подключен к персональному компьютеру, который передает данные в больницу через Интернет.

Имея сертификацию в соответствии со стандартом IEC 60601, медицинские устройства с изолированным интерфейсом USB могут оставаться подключенными даже во время дефибрилляции.

Заключение

Расширяющаяся популярность интерфейса USB привела к повышению спроса на этот интерфейс со стороны инженеров, которые хотят использовать преимущества интерфейса USB в медицинских системах. Гальванически изолировать интерфейс USB было сложно и дорого. Было невозможно также сделать это достаточно компактно, хотя производительность и простота использования USB привлекала разработчиков. К счастью, для решения этой проблемы разработан новый класс специализированных приборов. Изолятор ADuM4160, созданный на основе технологии iCoupler, позволяет легко и просто изолировать интерфейс USB с его дифференциальными, двунаправленными сигнальными линиями.

В закладки

Очень часто нам задают вопрос: безопасно ли использовать то или иное оборудование, подключая его к USB любимого ноутбука.

Сторонние зарядные и разнообразные периферийные устройства, внешние потребители энергии — все это может в одночастье вывести из строя разъем, а то и всю материнскую плату любимого компьютера.

Впрочем, у других устройств ещё больше проблем: выход смартфона, зарядного кейса или самих наушников ещё больше подвержены поломкам.

Как это все защищать? Попробуем разобраться.

Как устроен USB

Разделитель отлично собирает пыль и легко ломается. Нет, это не баг, это фича, дополнительная защита от попытки вставить периферию с неисправными выходами.

Сбор пыли и грязи таковой не является. Более того: поскольку шина USB является дискретной и передаваемые данные выглядят со схемотехнической точки зрения как незначительно изменяющийся по амплитуде постоянный ток, грязный USB может уходить в защиту, отключаясь.

Грязь меняет параметры сигнала и заставляет материнскую плату отключать один или все USB. Чаще всего этим грешат компьютеры Apple, считающие любые отклонения токов неисправностью.

Тем не менее, такая защита реализована далеко не всегда и не от всего. Теоретически, стандарты USB предполагает определенные требования к схемотехнической защите, в том числе от помех, повышенного напряжения или короткого замыкания.

Однако многие производители материнских плат не стесняются выводить контакты USB напрямую к микросхеме, реализующей системную логику (северный мост, процессор на ряде платформ и тому подобное).

В лучшем случае защита ограничивается простейшими плавкими предохранителями для ряда выводов, и той обычно только для питания.

Порт должен содержать защиту. Но не все соблюдают требования

Хорошие бренды используют самовосстанавливающиеся предохранители, которые позволяют использовать порт спустя 10-30 минут. Но их может не быть, или Плохие — не восстанавливающиеся, после срабатывания которых необходим ремонт в мастерской.

Если по каким-то причинам внешнее устройство подаст повышенное питание по шине данных или будет перепутана полярность питания — практически у любого компьютера будут большие проблемы.

Даже «защита от грязи» срабатывает чаще при пониженном уровне сигнала на USB. При повышенном, даже при подключении относительно маломощных устройств вроде плат отладки Arduino, предохранители стандартных типов не успевают сработать.

Защита продаётся отдельно, и не встроена в контроллер USB. Производители экономят

Особенно опасно это для полностью симметричных разъемов типа USB-A. Версия Type C является полностью симметричной, но реализован так, чтобы перепут напряжения был маловероятен.

Кроме того, этот стандарт требует от производителей конечных устройств для потребителя реализацию дополнительных алгоритмов защиты и фильтрации сигнала, которые снижают вероятность выхода разъема из строя.

Но это работает только для тех USB-C, которые полноценно реализуют стандарт USB 3.0/3.1 и выше. Как опознать? Если разъем одновременно умеет выводить видеосигнал, может использоваться для зарядки гаджетов и самого устройства и при этом обмениваться данными на высокой скорости — этот разъем подходит.

Все дистанцированно, если за USB-C прячется USB 3.0 или Thunderbolt. Но предохранителей может не быть, а провода очень близко

Опять же, разъемы с аппаратной поддержкой видео- и аудиовывода имеют специализированную защиту от шумов.

Она не позволит кратковременным скачкам напряжения и коротким замыканиям периферии (подключенные в сеть 220В внешние устройства — отдельная тема, от них защита не сработает) вывести из строя весь компьютер. Но порт может сгореть.

Если сигнал неустойчивый или с помехами — никакой защиты нет. Но что в этом случае, что в случае идеальных разработчиков, которые создали сферический ноутбук в вакууме с соблюдением всех стандартов, стоит озаботиться защитой самостоятельно.

Или хотя бы попытаться.

Защитить от пыли и грязи проще простого

Есть и высокотоковые магнитные провода

От грязи и пыли для всех типов разъемов, представленных в компьютерах, можно найти простую и эффективную защиту.

Резиновые заглушки для USB, слотов картридеров и даже пропиетарных разъемов продаются как в оффлайн-магазинах, так и на AliExpress. Если постараться — можно найти готовый набор именно для своего ноутбука.

Важно: материал, из которого изготовлены заглушки, должен быть антистатическим. Иначе есть шанс сжечь порт статическим разрядом.

Как найти именно такие? Ориентируясь на отзывы покупателей и высокий рейтинг продавца. Второй способ проще: заглушки должны быть силиконовые, мягкие, легко гнущиеся.

Силикон — отличный изолятор, который плохо накапливает статическое электричество. Поэтому такую защиту применять надежнее всего.

Механические повреждения можно исключить

Сломанный разъем зарядки занимает третье место в рейтинге самых частых неисправностей, с которыми люди обращаются в сервис.

Для microUSB, USB-C и ряда других слотов можно использовать «магнитные кабели» с отделяемой частью, остающейся в разъеме. Это потребует полностью отказаться от стандартных проводов.

При покупке необходимо обращать внимание на пропускную способность кабеля и его функции: некоторые умеют только заряжать устройства, некоторые работают как обычные, цельные.

Универсальные провода покупать нельзя: для унификации магнитного разъема из них вырезают возможность передачи данных. В комплекте должен быть один разъем и указана возможность передачи данных.

Более доступным вариантом станут магнитные переходники для обычных разъемов: порт в ноутбуке с ними всегда защищен, а провода лишние покупать не нужно.

Собственная защита USB от скачков напряжения или тока

К сожалению, единственный выход реализовать хоть какую-то развязку — использовать USB-хаб. Лучше всего, если он будет иметь собственное внешнее питание.

Дело в том, что разветвление USB-интерфейса невозможно реализовать, просто разветвив провода — для этого требуется дополнительная аппаратная схема.

В случае подачи повышенного тока именно она сгорит, сохранив «жизнь» встроенным в плату портам.

В случае с разъемами USB-C, оснащенных поддержкой стандарта Power Delivery с соответствующей возможностью зарядки все чуть сложнее: теоретически, разъем должен согласовывать небольшими шагами передачу электропитания по отдельным линиям, исключая возможность перенапряжения.

Но это позволяет производителям отказываться от дополнительной защиты, которая бы сработала в экстренной ситуации.

Внешняя защита USB от скачков напряжения или тока

Тут может сработать неожиданная защита в виде правильно подобранного кабеля питания: оригинального, либо наоборот, из проверенной пользователями линейки с максимально пропускаемым током до 3А.

В таком случае при кратковременном скачке по току есть небольшой шанс, что при отсутствии другой защиты кабель сработает предохранителем (кстати, более-менее приличные бренды сознательно ограничивают пропускную способность проводов).

Вариант не лучший, но достаточно надёжный. А вот дорогостоящие 100-ваттные провода без необходимости лучше не покупать — они отлично проводят высокие токи, губительные для компьютеров.

Впрочем, это не лучший вариант защиты. Другое дело — использование внешних хабов перед USB. Хаб сгорит — порт останется целым. Но непроверенные гаджеты так лучше не использовать.

Для них стоит использовать концентратор или док-станцию с внешним питанием: даже если проектировщик не выполнил гальваническую развязку элементов, цепи питания в них гарантированно изолированы.

Аналогично и в других достаточно продвинутых устройствах, например:

внешние видеокарты и модули с видеовыходом,
концентраторы с выключателями.

Спасаем USB от короткого замыкания

От короткого замыкания между контактами стоит использовать гальваническую развязку в виде внешнего прибора.

Чаще всего они выпускаются в виде миниатюрного подобия флешки и довольно часто используются аудиофилами для изоляции USB от наводок по питанию при подключении высококлассных аудиосистем.

Найти такую можно на AliExpress, но все существующие варианты базируются на старой схемотехнике, поэтому обеспечивают скорость обмена данными не более 10 Мбит/с.

Более быстрые устройства имеют крайне специфическое применение и продаются напрямую от крупных разработчиков. За совершенно другие деньги.

Впрочем, этой скорости хватит, чтобы распознать во флешке пресловутый USB-Killer или определить неисправное оборудование.

Неочевидная защита: «пилоты» и блоки питания

Многие проблемы USB можно предотвратить, если избавиться от некачественных источников питания, используя при этом оснащенные соответствующей защитой розетки 220В.

При питании от сети не слишком хорошо спроектированные материнские платы (MacBook в зоне риска) подают питание на USB-порты напрямую от разъема блока питания.

Скачок напряжения вряд ли убьет защищенный предохранительными цепями процессор или другие важные микросхемы. А USB с включенными в него приборами — запросто.

Достаточно использовать любой удлинитель с кнопкой (в них всегда есть предохранитель), чтобы избежать этого. А надежный блок питания станет вторым эшелоном защиты как самого разъема, так и гаджета в целом.

Факт: использовать питание от батареи при подключении незнакомых периферийных устройств надежнее, поскольку при коротком замыкании токи будут ниже.

Кроме того, большая часть гаджетов (включая ноутбуки) имеет независимую схему питания от батареи, в которую USB-порты включаются иными линиями.

При подаче высокого напряжения или неправильной полярности на контактах порта это позволит спасти материнскую плату даже в том случае, когда сам USB выйдет из строя.

Все нужно проверять самому

С зарядными устройствами и проводами чуть сложнее. Без дополнительных устройств придётся либо использовать качественное оборудование (что не исключает его сбоев), либо проверять все самостоятельно.

Для этого пригодится некое тестовое устройство (лучше — старый смартфон с подтвержденным в обзорах портом стандарта USB 3.0/3.1) или электронная нагрузка и USB-тестер.

Проверки стоит проводить не только после покупки — внешние повреждения должны стать поводом прогнать тест ещё раз.

Что в итоге?

Итак, подведём итоги. Чтобы гарантированно защитить USB от любых внешних воздействий, придётся приобрести приличный парк устройств:

— для защиты редко используемых портов; или переходников с примагничивающимися разъемами — для зарядки и частых подключений; — для подключения новых или китайских гаджетов; — для чужих устройств с неизвестными свойствами; — для подключения своих устройств «на ходу».

Такой набор гарантированно позволит сохранить ноутбук, смартфон, планшет и любое другое оборудование в рабочем состоянии.

Впрочем, для «обычных смертных» хватит заглушек и хаба. Если использовать проверенные фирменные зарядки, провода и периферийные устройства, конечно.

(28 голосов, общий рейтинг: 4.32 из 5)

В закладки

Что такое гальваническая развязка

И начнем мы с вами с определения.

Гальваническая развязка - это выполнение передачи энергии либо определенного сигнала между электрическими цепями, которые не имеют непосредственного контакта.

Так же гальваническая развязка используется для передачи сигналов с максимально возможным уровнем помех, для бесконтактного управления, а также для непосредственной защиты электрооборудования от возможных повреждений и людей от вероятного поражения электрическим током.

Еще необходимо знать, что при таком виде развязки электрические потенциалы разделенных цепей могут существенно разливаться.

По какому принципу работает гальваническая развязка

Для осознания алгоритма работы давайте разберемся в конструкции трансформатора.

Итак, в трансформаторе первичная обмотка не имеет электрической связи с вторичной обмоткой. То есть попадание электрического тока с первички возможно только в результате пробоя изолирующего материала. Но при этом разность потенциалов на выводах катушек достигает существенных величин.

И получается, если мы вторичную катушку соединим с корпусом устройства (то есть будет соединение с землей), то на аппарате будут отсутствовать паразитные токи, которые несли угрозу обслуживающему персоналу.

Существующие виды гальванических развязок

Существует несколько способов выполнить такое разделение. Вот о них и поговорим более подробно:

1. Индуктивная (она же трансформаторная) развязка. Для реализации подобного варианта развязки потребуется использовать магнитоиндукционный элемент (трансформатор). В данном случае сердечник может и не использоваться.

При этом для подобной развязки в основном используют трансформаторы с коэффициентом равным «1». И «первичка» подсоединяется к источнику сигнала, а «вторичка» к приемнику. И величина напряжения на приемнике имеет прямую зависимость от напряжения на источнике. К минусам такого варианта можно отнести следующие моменты:

- Размеры такого девайса не позволяют производить миниатюрные изделия, что в современных реалиях очень большой минус.

- Частотная модуляция гальванической развязки накладывает жесткие ограничения на частоту пропускания.

- Помехи входного сигнала существенно снижают качество выходного сигнала.

- Такая развязка функционирует исключительно в сетях с переменным напряжением.

Оптоэлектронная развязка

Развитие электроники и полупроводниковых элементов позволило создать принципиально новые развязки, основанные на использовании оптоэлектронных узлов. Основными элементами таких изделий являются оптроны (оптопары) реализованные на основе тиристоров, диодов, транзисторов и других подобных компонентов, обладающих повышенной чувствительностью к свету.

Началось все как обычно, ~~от нефиг делать~~ от избытка свободного времени я решил сделать что-то эдакое. Тут я вспомнил, что друзья жалуются в дискорде на мой микрофон, слышны какие-то цифровые помехи, а если начать копировать файлы на компьютере то вообще. Купить нормальную звуковую карту? Это не про нас.

Кого заинтересовало прошу под кат.

Выбор микросхемы кодека

Вообще я не любитель делать электронику из чего попало, даже для себя, особенно из китайских компонентов с али, по этому первым делом идем на digikey и ищем что-нибудь. Первой мыслью было взять полноценную микросхему кодека и подключить его к STM32, а уж от него USB. В принципе это не сложно, но в какой-то момент я понял, что не хочу так заморачивайся и решил найти что-то «все в одном». Гугл настойчиво выдавал CM108 от C-Media Electronics, производитель в Тайване. Что ж, ну ладно, пусть будет так

Кодек требует себе EEPROM, и даже предлагает конкретную, аналог от STMicroelectronics M93C46-WMN6TP быстро нашелся на том же digikey (Integrated Circuits (ICs) > Memory). На всякий случай подключил его питание через фильтр, чтобы не привел нам ничего плохого в питание кодека.

Так же кварц, и т.к. я любитель сделать все по меньше и компактней то ставлю серию ABM3 (ABM3-12.000MHZ-B2-T) 5 на 3.2 мм (не ставить же гигантский HC-49)

Аудио коннекторы

После ищем сами коннекторы для наушников и микрофона. Я лично предпочитаю CUI для аудио и простых бытовых коннекторов питания 5.5, всегда их ставлю, конечно же поиск на digikey (Connectors, Interconnects > Barrel — Audio Connectors).

В моем случае у меня уже был готов компонент в библиотеке под SJ2-3574A-SMT т.к. раньше я его уже использовал, можно было бы выбрать разноцветные (у CUI есть), но мне не хотелось (для себя же делаю, как-нибудь разберусь).

Обычно последовательно ставят конденсаторы (0.47uF или 1uF, можно 4.7uF), это может быть тантал или керамика, но лучше всего использовать пленочные. В референс схеме в даташите предлагают 470uF, что слишком уж много, выбираем 0.47uF (если нужны очень низкие басы то можно и 1uF). Пленочные конденсаторы есть в SMD корпусах, что очень удобно, я поставил ECP-U1C474MA5 в корпусе 1206.

Гальваническая развязка по питанию

А теперь самое интересное

CM108 имеет 2 режима, 100mA и 500mA, разумеется я выбрал по жирнее, чтобы с размахом, 500mA * 5V = 2.5W, немного с запасом нам нужно найти развязку где-то на 3W, выставляем параметры (в разделе Power Supplies — Board Mount > DC DC Converters) и смотрим, что по дешевле, так же не забывая отсеивать производителей, которым вы не очень доверяете. Выбор пал на CC3-0505SF-E от TDK (хотя мне очень хотелось поставить от мураты!). Стоит он жирно, 11 баксов, но ничего не поделаешь.

После него я поставил фильтр, не забывая про конденсаторы 0.01uF и 0.001uF чтобы отсеять всякую ВЧ ересь т.к. она пролезает даже через гальванику. Ещё 100uF электролит, он точно лишним не будет.

Развязка интерфейса

Развязка питания это хорошо, но не помешает развязать и сам USB интерфейс. В разделе Digital Isolators (Isolators > Digital Isolators) можно найти подходящее, я выбрал ADUM4160 от Analog Devices.

Не забываем подтянуть DATA P на USB интерфейсе к 3.3V, т.к. это говорит хосту (ПК), что в порт воткнули девайс и надо бы начать с ним работать, по-хорошему в микросхеме эта подтяжка должна быть внутри, но её почему-то нет.

Ну и по мелочи

Сам USB конектор конечно же от Molex, ещё можно от TE или Wurth. Или поискать и у других, но я считаю что подобные конекторы лучше выбирать у этих трех, остальные хороши, но в другом.

Так же я решил, что если столько денег ушло на чистое питание, то делать надо все хорошо до конца, и развязка цифровой земли и аналоговой не исключение. Более того, вместо обычной перемычки на плате я поставил фильтр BLM15 (при разводки платы разделение земли лучше пододвинуть поближе к главной земле, т.е. к GND выводу нашего изолятора по питанию, там и должна расходится цифровая и аналоговая земля)

Заключение

Ну, на этом все, плату я развел в 4 слоя стандартного класса, после подготовки производства она будет стоить около 130р. Так же 4 слоя лучше в плане того, что полигоны питания, земли и цифровой земли лучше делать собственно полноценными полигонами, по-хорошему вообще на каждое питание свой слой, но у меня питание и цифровая земля на одном.

От идеи до полной разводки ушло где-то полтора часа. Плата вышла размером 22 на 66 мм.

Честно говоря, пока писал статью уже расхотелось заказывать плату (ну как всегда), так что пусть будет хотя бы статья.

Читайте также: