Digitale Galvanische Isolation
Masseschleifen unterbrechen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Optokoppler verzögern das Signal
Mit steigenden Leistungsanforderungen und zunehmender Komplexität der Schnittstelle weist dieses Konzept jedoch Einschränkungen auf. Die optische Isolation von Schnittstellen kann komplex und teuer werden und benötigt oft viel Platz auf der Leiterplatte. Zudem verzögern Optokoppler das Signal und eignen sich daher nur für relativ langsame Signale. Die Summe der Verlustleistung in der LED und im Pull-up-Widerstand kann beachtlich ansteigen, wenn mehrere Optokoppler zum Einsatz kommen.
Digitale Isolationstechnik dagegen beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit von Schnittstellen nicht. Erforderlich sind relativ wenige Bauteile in einfachen Applikationsschaltungen.
Solche Bausteine sind nicht-optische Isolatoren, die CMOS-Schnittstellen-ICs nutzen, um Information mittels kapazitiver oder magnetischer Kopplung zu übertragen. Verbindet man zwei mit Netzspannung versorgte Geräte über ein USB-Kabel, kann eine Masseschleife entstehen, welche die Kommunikation über den Bus beeinträchtigt.
Bei USB erfolgt die Kommunikation über ein einziges bidirektionales, differenzielles Paar (die Signale D+ und D- in Bild 3). Ein Host-Gerät steuert den Bus und kommuniziert mit einem Peripheriegerät. Die Richtung von Datenpaketen wird über das USB-Protokoll und nicht über Steuersignale vorgegeben. Zudem versorgt das Host-Gerät das Peripheriegerät mit Energie und Masse.
Die Isolation eines USB-Ports, um die Masseverbindung des Kabels auszuschalten, ist naturgemäß schwierig, weil es keine Steuersignale gibt, die anzeigen, ob Daten zur Peripherie (Downstream) oder zum Host (Upstream) übertragen werden.
Ohne Zugang zu den internen Signalen der SIE (Serial Interface Engine), die den Bus steuert, lässt sich die Richtung der Daten ausschließlich über die Bus-Transaktionen bestimmen. Oft stehen die SIE-Signale nicht zur Verfügung, da die SIE häufig in Prozessoren integriert ist. Externe SIE erfordert viel Aufwand.
In der Praxis gibt es mehrere Möglichkeiten, USB-Verbindungen galvanisch zu isolieren. Zum Beispiel lassen sich die Herausforderungen der Isolierung von D+ und D- vermeiden, indem man eine externe SIE verwendet, die über eine serielle Schnittstelle mit unidirektionalen Signalen wie SPI gesteuert wird.
Unidirektionale Signale lassen sich somit einfacher isolieren. Bild 4 zeigt diese Möglichkeit. Die Laufzeitverzögerung von Optokopplern würde die Geschwindigkeit der isolierten SPI-Signale ernsthaft begrenzen. Daher kommt ein vierkanaliger Digitalisolator zum Einsatz.
Der externe USB-Controller überträgt Daten aus seinen Puffern, die über die SPI-Schnittstelle gefüllt werden. Obwohl die externe SIE Daten mit der höchsten Datenrate der Peripherie übertragen kann, ist die effektive Datenrate des Busses begrenzt durch die Fähigkeit des Controllers, die Puffer der SIE gefüllt zu halten.
Die Laufzeitverzögerung des Digitalisolators kann in diesem Fall ein Engpass sein.
Diese Möglichkeit ist wegen der externen SIE kostspielig im Hinblick auf den Platzbedarf auf der Leiterplatte und kann Modifikationen an den Peripherietreibern verlangen.
Eine einfachere Möglichkeit ist die direkte Isolierung von D+ und D- beispielsweise mit einem Einchip-USB-Isolator »ADuM3160« von Analog Devices (Bild 5).
Dieser Baustein kommt ohne Modifikationen am Host oder den Peripherietreibern aus.
Seine interne Logik bestimmt die Richtung von D+ und D- durch das USB-Protokoll und aktiviert und deaktiviert Treiber entsprechend.
Eine 2,5-kV-Isolationsstrecke unterbricht die Masseverbindung über das USB-Kabel, die andernfalls eine Masseschleife bewirken würde.
Digitale Isolation bewährt sich
Mithilfe einer einfachen Hardware-Simulation sollten die Risiken von Masseschleifen in der leitungsgebundenen Kommunikation sowie die Effizienz galvanischer Isolierung bei der Unterbrechung von Masseschleifen veranschaulicht werden. Der Testaufbau erzeugte eine Masseschleife mit Verbindungen über das USB-Kabel und die Stromversorgung eines USB-Hubs sowie eines Peripheriegeräts, die über ein Notebook kontrolliert wurden.
Bei diesem Aufbau wurde ein aus der Netzspannung gewonnenes 60-Hz-Signal mit einem Transformator auf die Masseleitung eingekoppelt. Dies entspricht im Prinzip dem Magnetfeld von Netzspannungen, das Rauschen in eine Masseschleife induziert. Über einen variablen Serienwiderstand ließ sich der Strom durch die Masseschleife einstellen.
Die Spannung an der Masse des Hubs zur Masse der Peripherie wurde beobachtet, und der Strom durch die Masseschleife wurde so lange erhöht, bis die Kommunikation zum Hub beeinträchtigt war. Bei verschiedenen Peripherie-geräten setzte die Kommunikation zwischen Hub und Notebook aus, sobald ihr Massepotenzial infolge des simulierten Stromes in der Masseschleife auf über 1 V über das Massepotenzial des Hubs anstieg.
Durch die Isolierung des Hub-Ports mit dem ADuM3160 und der Masseverbindung über das USB-Kabel wurde verhindert, dass der vom Transformator eingekoppelte Strom fließt. Dies stellte die Kommunikation zwischen PC und der Peripherie wieder her und veranschaulicht, wie sich digitale Isolation zur Verhinderung von Masseschleifen nutzen lässt.
Über den Autor:
Nikolas Ledoux ist Applications Engineer in der iCoupler Components Group bei Analog Devices.
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