Чи неможлива гальванічна ізоляція високошвидкісного USB?

У мене є USB-ізолятор, який забезпечує гальванічну ізоляцію USB-пристрою від мого ПК, але працює лише для USB з низькою швидкістю та повною швидкістю. Я не можу знайти жодних альтернативних електричних ізоляторів, які забезпечують високошвидкісне з'єднання; Однак USB-розширювачі волокон пропонуються з високошвидкісною пропускною здатністю і повинні забезпечувати як гальванічну ізоляцію, так і високу пропускну здатність, хоча, можливо, і за більш високу вартість?

Чи є практичне або фізичне обмеження на пропускну здатність гальванічного ізолятора для USB? Чи пов'язані фактичні закони фізики, чи це лише інженерна проблема чи проблема витрат?

Редагувати

Дозвольте перефразувати власне запитання:

Неволокнисті ізолятори USB коштують близько 100 євро, але обмежуються повношвидкісним USB. Високошвидкісних USB-ізоляторів не існує, тому я припускаю, що їх не можна виготовити за 100 євро, але коштуватимуть значно дорожче (1000 євро? 10000 євро). За такою ціною ринку немає, тому немає високошвидкісних USB-ізоляторів.

Питання полягає в наступному: Що робить високошвидкісний USB-ізолятор набагато дорожчим, ніж повношвидкісний USB-ізолятор? Чи існує фізичне обмеження підходу, який застосовується для повношвидкісних пристроїв, що робить його непридатним та / або непосильним для пристроїв високої швидкості?

Напевно є закони маркетингу. :-)

Гігабітний Ethernet та 10G-Ethernet мають гальванічну ізоляцію. Отже, очевидно, що це можливо і рутинно робиться з сьогоднішніми технологіями.

Волоконно-оптичний розширювач USB в основному трохи схожий на оптичну муфту, за винятком того, що джерело світла та приймач світла знаходяться на окремих мікросхемах. Поєднання функцій розширювача волокна в єдиний пакет має бути дешевшим, а не дорожчим. Використання магнітної або ємнісної зв'язку замість оптичної муфти знову повинно бути дешевшою.

USB зазвичай використовується для передачі даних на коротких відстанях (до 5 м), коли істотних відмінностей потенціалу заземлення не існує і гальванічна ізоляція не потрібна.

Є кілька застосувань, наприклад, медичний або низький рівень електричного шуму, які потребують гальванічної ізоляції або користі від неї. Всі ці програми є спеціалізованими, і існуючі розширювачі волокон повністю покривають вимогу гальванічної ізоляції. Крім того, бездротові рішення, такі як Bluetooth, Zigbee тощо, також задовольняють вимогу ізоляції (на низькій швидкості). На закінчення, мабуть, не дуже багато ринкової ніші для USB-ізоляторів.

FWIW, я використовував волоконний розширювач кілька років тому під час робіт з розробки підсистеми живлення високої напруги. Мені потрібна була лише ізоляція, волокно залишалося згорнутим на лавці.

Дякуємо за посилання.

Редагувати: Що стосується частини питання "Чи задіяні фактичні закони фізики, ..." Ні, існує багато швидших, гальванічно ізольованих комунікаційних зв’язків, таких як Gigabit Ethernet, 10G Ethernet і навіть бездротові рішення.

"... чи це просто інженерна проблема чи проблема з витратами?" Так, станом на 2018 рік виклик у галузі інженерних робіт менше, ніж це було б кілька років тому, але все-таки докладуть значних зусиль. Але хто фінансуватиме розробку таких рішень, якщо попит виявиться дуже обмеженим?

Існують готові ізольовані мікросхеми ретранслятора для швидкості передачі даних 12 Мбіт / с: ADuM4160 від Analog Devices або LTM2884 від Linear Technology . Дивно, як для мене, обидва містять індуктивну сполуку = мініатюрні на мікросхемі сигнальні трансформатори як елементи з’єднання, пов'язані із зовнішнім світом буферними приймачами кремнію (CMOS?). Мене здивує, чому ізоляція не є оптичною в наші дні ...

Зауважте, що 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e або RS422, всі використовують збалансовану пару в будь-якому напрямку, разом складаючи 4-провідне повнодуплексне посилання. Gigabit і 10Gb Ethernet працює таким чином тільки на волоконній оптиці, я думаю.

На противагу цьому, USB низької / повної / високошвидкісної використовує одну врівноважену пару, в напівдуплексному режимі, коли хост і пристрій по черзі розмовляють по шині, і повинні тривиходити лінійний драйвер, коли вони закінчать говорити, щоб дати шанс іншій стороні (дещо схожа на RS485, хоча багато електричних та обрамлюючих деталей відрізняються).

Будь-який гальванічний ізолятор, включаючи згадані вище мікросхеми, повинен дотримуватися стилю комутації напівдуплексного напряму. Теоретичний сигнал єдиного сигналу повинен теоретично працювати зі швидкістю 12 Мбіт / с, за винятком постійних резисторів зміщення постійного струму, і, можливо, обрамлення також не є «середнім зміщенням постійного струму» в середньому, що ускладнює просто використання пасивного трафа. Ослаблення вбік.

Можливо, саме ця потреба в тому, щоб активний ізолятор достатньо швидко "перетворив стіл", в першу чергу виявив кінець передачі, що робить реалізацію "дурного ретранслятора USB" на 480 Мбіт / с недоцільним, навіть у сучасному кремнію. Нібито є деякі інші зміни в електричному інтерфейсі для високошвидкісного USB 2.0 (сигналізація постійного струму), що може бути ще одним фактором, чому швидкісний USB не піддається легко такому типу перемикання RX / TX у стилі 485 у режимі німий ретранслятор.

Зауважте, що існує альтернативний підхід до проблеми "перемикання напрямків": замість того, щоб виявити високий Z на лінії аналогічно, що приносить певну притаманну затримку (відставання), ізолятору доведеться розуміти протокол USB, просто як на USB-концентраторі - щоб він знав, коли очікувати закінчення кадру, який зараз буде отриманий. І, можливо, він буде буферизувати цілі кадри, перш ніж відновити їх на іншу сторону - так, як це робить USB-концентратор. (Або це?) Ефективно, ізолятор повинен був би стати USB-концентратором із зазором ізоляції десь там.

Мене дещо дивує, що не існує ізольованих ретрансляторів у стилі хаб. Можливо тому, що ATMEL та друзі роблять концентратори, а Analog або Linear (чи Avago?) Роблять ізолятори, але дві банди не змішуються ...

Проблема транспортування високого бітрейта через ізоляційний проміжок не повинна бути такою складною - все ж навіть ця зона здається напрочуд «недостатньо розвиненою», або, здається, зазнає якихось зазорів. 10 Гбіт Ethernet над волокном існує вже роками, з розрядним базовим діапазоном SERDES (бітовий потік), що передається «лазером» (щонайменше VCSEL) і приймається фотодіодом. Однак опто-з’єднувачі, упаковані DIL, ледь досягли 50 Мбіт / с. Звідки береться розрив? Добре мені здається, що хлопці, які роблять оптопари DIL, покладаються на відносно повільні джерела світлодіодів та приймачі фототранзисторів. У той час як хлопці, що виготовляють волокна, роблять свої VCSELS і фотодіоди придатними для з'єднання з волокном - з регульованим струмом зміщення, з місцевим діодом зворотного зв'язку, прив'язаним до VCSEL і т.д. ті висококласні частини. Зауважте, що гігабітні матеріали, пов'язані з волокнами, зазвичай використовують з'єднання змінного струму на електричних інтерфейсах, але це не повинно бути великою проблемою,

Можливо, це лише консервативний погляд на галузь, який є старою школою. Можливо, гігабітна технологія з високою пропускною здатністю вже перейшла до нової ери, де ви можете грати лише в умовах стандартизованих шин та інтерфейсів, і немає сенсу робити дискретні компоненти, здатні передавати тупу просту логіку 1/0 за один сигнал . Можливо, це лише моє думка в стилі динозавра, що ти все одно можеш зламати речі разом. Сучасна епоха ГГц, здається, "піднімає планку" проти випадкових хакерів паяльником. Злом електроніки став предметом закритих лабораторій із дорогим обладнанням, доступним лише для великих провідних виробників. Це закритий клуб. Відтепер усе, що можна колись зламати, - це програмне забезпечення або, можливо, деякі дрібниці антени.

Сигнальні трансформатори, мабуть, лише хороші для низьких сотень МГц. 1000Base-TX і особливо 10GBase-TX відчувають великі болі підступної модуляції, щоб видавити дані в безліч "біт на символ", на повному дуплексному врівноваженому смузі за рахунок потужної обробки DSP для всієї модуляції / локальне скасування відлуння / попереднє вирівнювання ... просто, щоб поміститися всередині, можливо, 200 МГц смуги пропускання, доступної через "магнітику" (трансформатори сигналу). Якщо ви користуєтеся технологією телевізійної антени, можливо, ви помітили, що у верхньому діапазоні, скажімо, 500-800 МГц і вище, гальванічні ізолятори суворо ємнісні. Незалежно від того, який основний матеріал ви виберете, індуктивні трансформатори просто не корисні на цих частотах.

Зрештою ... ти знаєш, що? Здається, USB3 використовує окремі збалансовані лінії передачі: одна пара для TX, одна пара для RX. Почувається, як повертаюся додому.

Вибачте.

Відповідаю буквально: ні, сьогодні вже немає обмежень.

Досі практичні рішення <400 $ рідкісні. Знову це щось фізичне чи швидше електронний дизайн, не лише маркетинг та обсяги виробництва.

Але кілька років тому VCSEL були дорогими до дорогого, а паралелізація також збільшує витрати на ізоляцію і має притаманні проблеми з протоколом через збільшення затримки (ми були раді, коли USB перейшов з марної серійної шини на щось з певною надійністю).

Навіть 2015/16 бітова швидкість доступних позачергових цифрових ізоляторів ІС обмежена, до моїх висновків - 150 Мбіт / с. Я знайшов лише одну компанію, див. Нижче, що пропонує чіп USB2 480MBit / s.

Подивіться на основний принцип iCoupler AD. Вони використовують імпульсні поїзди з шириною імпульсу 1нс і реконструюють вихідні імпульси за цим, добре, оцифровуючим підходом, зі швидкістю передачі бітів до 150 Мбіт / с, що недостатньо пропускної здатності для високошвидкісного USB2 або USB3.

Приємно, що в іколорі AD є те, що вони здатні передавати енергію, щоб забезпечити вторинну сторону потужністю (не багато, але все-таки ...), і багато їх чіпів мають, наприклад, RX, TX та котушку Power. Все, що вам потрібно зробити - це додати кілька конденсаторів. Тож чекати варто буде поки.

Корнінг використовує справжні волоконно-оптичні методи з лазерами VCSEL в якості випромінювачів (завжди це була фізично життєздатна річ, хоча до недавнього часу це не було доступним способом).

По крайней мере, оптичні кабелі USB3.0 є доступними, 110 доларів за 10-мільйонну версію. Після цього вам може знадобитися якийсь живильний концентратор USB3 для голодних клієнтів (якщо вам потрібно більше 200 мА або близько того, але Корнінг говорить, що це передасть "без живлення"). І у вас може бути невдача (або низька надійність) для деяких налаштувань, будьте готові повернути її назад.

Іноді ми отримуємо інформацію про патенти. Але комусь доведеться платити ліцензійні внески за його використання, як не власник. Я знайшов його на silanna.com, австралійська компанія Chip, дивіться патенти google, WO2015104606A1. Ага, їхній накопичувальний USB2 кремній на ємнісному ізоляторі на основі Saphire високошвидкісного рішення USB2 вийшов: http://www.silanna.com/usb.html Отож, ми чекаємо включення плати з високоефективною ізоляцією DC-DC, як вони стверджують, що працюють над.

Ви, безумовно, можете стверджувати, що всі лазери зношуються, конденсатори мають свої підводні камені тощо. І саме тому AD використовує магнітну муфту, серед інших причин, таких як відхилення загальної рейки. Див. Http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Там вам потрібно торгувати товщиною ізоляції проти пропускної здатності пропускання. Давайте зачекаємо, поки вони наздогнать 5 Гбіт / с, що означатиме, щоб вони мали прийнятне тремтіння, всередині вони мали б передавати, як 20..30Gpulses / s, якби вони повторно використали техніку icoupler ...

Сподіваюсь, я зараз більше поставив літературу питання ...

Для мене я придбаю корнінг, але додаду свій власний джерело живлення DC-DC, щоб мати USB для живлення мого аналогового відкриття 2, без додаткових (настінних) вилок. Оскільки деякі оптичні кабелі, як повідомляється, не сумісні з USB2, можливо, після закріплення потрібно буде розмістити невеликий (1портовий) USB-концентратор. Зараз, разом, це робить підхід незграбним і клаптиком із 3-х модулів.

Твій, Енді

Варто зазначити, що хоча швидкість передачі даних Gig Ethernet набагато вища, ніж швидкість USB2, проте для цього вона використовує всі 4 пари кабелю cat5. Крім того, вона використовує схему модуляції з декількома рівнями (PAM5), щоб утримувати швидкість електричної сигналізації на кожну пару приблизно такою ж, як 100Bbase, а саме близько 25 МГц, з якою трансформатори добре справляються.

Usb використовує тільки дворівневий, тому швидкість передачі сигналів така ж, як швидкість передачі даних. Повна швидкість 12 Мбіт / с - це половина швидкості передачі сигналів Gbit Ethernet, і вона доступна. Перетворення 480 Мбіт / сек за допомогою простого двійкового файлу є завданням для оптики, або більш хитрим рішенням, таким як паралелізація даних usb і перетворення цього з меншою швидкістю. Це не моя ідея, .. я бачив це, запропоноване кілька тижнів тому.

Насправді існує багато мультимедійних налаштувань, звукових карт, які мають проблеми, коли є як аудіо, так і дані та підключення живлення. Налаштування сцени професіонала зі звуковими картами USB представляють проблеми, коли декілька клавіатур під’єднано до одного ПК через USB, а також діють також аудіо та потужність живлення. Зазвичай ми мусимо ізолювати звук, але вже тоді можемо отримувати шум на пристроях власних аудіогенераторів через usb та джерела живлення. Сподіваюся, це допомагає зрозуміти.