Isolierte Designs
Wirkungsvolle Barriere für USB 2.0 und Stromversorgung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Isolation auf Chipebene
Die galvanische Trennung wird in der Industrie hauptsächlich benutzt, um vor möglicherweise auftretenden lebensgefährlichen Spannungen zu schützen. Sie wird außerdem verwendet, um den Einfluss des Rauschens und von Differenzen in der Gleichtaktspannung, die durch Masseschleifen hervorgerufen wurden, zu eliminieren. Isolatoren kommen alternativ als Pegelumsetzer zwischen ungleichen Betriebsspannungen zum Einsatz.
Üblicherweise erfordert die Entwicklung eines galvanisch getrennten Systems zusätzlich zu den Isolationskomponenten selbst eine Reihe von passiven und aktiven Komponenten auf jeder Seite der Grenzschicht. Diese Isolationskomponenten sind schwierig zu integrieren, was zu einer längeren Entwicklungszeit für die isolierten Systeme führt. Deshalb entwickelte Linear Technology die µModule-Isolatoren, mit denen sich die Entwicklung von isolierten Systemen auf das Anbinden eines einzigen Moduls reduziert. Denn abgesehen von den µModule-Bausteinen sind keine zusätzlichen Isolationskomponenten mehr erforderlich.
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Der in Bild 1 dargestellte USB-µModule-Isolator LTM2884 garantiert eine galvanische Trennung von 2500 VRMS. Er vereint einen USB-2.0-Transceiver, einen Flyback-Wandler ohne Optokoppler, LDOs mit geringem Ruhestrombedarf sowie sämtliche erforderlichen passiven Komponenten in einem oberflächenmontierbaren BGA-Gehäuse mit 15 mm x 15 mm x 5 mm Kantenlänge.
Wie auch die anderen Isolatoren der µModule-Familie verwendet der LTM2884 induktiv gekoppelte Spulen oder kernlose Transformatoren, um Daten über die 2500-VRMS-Isolationsbarriere zu übertragen. Um die Datensende- und -empfangsfunktionen für beide USB-Kanäle und in beide Datenübertragungsrichtungen auszuführen, benötigt das Systemdesign entsprechende ICs.
USB-Signale auf beiden Seiten der Barriere sind als Pulse codiert und werden innerhalb der Grenzschicht übersetzt. Dabei geschieht die Übertragung der Signale durch die im µModule integrierten Transformatoren differenziell. Durch weitere Funktionen wie Datenaktualisierung, Fehlerüberprüfung, sicheres Herunterfahren beim Auftritt von Fehlern und einer hohen Unempfindlichkeit gegenüber Gleichtaktspannungen stellt der LTM2884 eine leistungsfähige Lösung zur bidirektionalen Signalisolierung dar.
Die galvanisch getrennte Stromversorgung im LTM2884 wird auf konventionellere Weise realisiert. Die Spannung stammt von einem Flyback-Wandler mit Boundary-Modus, bei dem die Ausgangsspannung anhand des primärseitigen Flyback-Signals gemessen wird. Diese Stromversorgungstopologie liefert ein einfaches, flexibles und fehlertolerantes Design, das einen Wirkungsgrad von etwa 65 % erreicht.
Der LTM2884 besitzt zwei separate Eingänge, um den Transceiver und den DC/DC-Wandler zu versorgen. Der USB-Transceiver arbeitet an einer Busspannung von 4,4 bis 16,5 V oder an einer externen Versorgungsspannung. Der DC/DC-Wandler kann aus denselben Quellen gespeist werden. Wenn er mit einem 5-V-Bus verbunden wird, ist er in der Lage, isolierten Peripheriegeräten bis zu 1 W (200 mA bei 5 V) bereitzustellen. Durch die Anbindung an eine externe Spannungsversorgung mit mehr als 8,6 V erhalten die Peripheriegeräte bis zu 2,5 W (500 mA bei 5 V).
- Wirkungsvolle Barriere für USB 2.0 und Stromversorgung
- Isolation auf Chipebene
- Vereinfachen robuster Designs
- Isolierte USB-Applikationen
