O isolamento galvânico do USB de alta velocidade é impossível?

Eu tenho um isolador USB que fornece isolamento galvânico de um dispositivo USB do meu PC, mas funciona apenas para USB de baixa velocidade e velocidade máxima. Não encontro isoladores elétricos alternativos que ofereçam conexão de alta velocidade; Os extensores de fibra USB , no entanto, são oferecidos com taxa de transferência de alta velocidade e devem fornecer isolamento galvânico e alta largura de banda, embora talvez a um custo mais alto?

Existe uma limitação prática ou física à largura de banda de um isolador galvânico para USB? Estão envolvidas leis reais da física ou isso é apenas um desafio de engenharia ou uma questão de custos?

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Deixe-me reformular minha própria pergunta:

Os isoladores USB sem fibra custam cerca de € 100, mas estão limitados a USB de velocidade total. Os isoladores USB de alta velocidade não existem, então suponho que eles não possam ser fabricados por € 100, mas custariam significativamente mais (€ 1000? € 10000). Por esse preço, não há mercado; portanto, não há isoladores USB de alta velocidade disponíveis.

A questão é a seguinte: o que torna um isolador USB de alta velocidade muito mais caro do que um isolador USB de velocidade total? Existe uma limitação física à abordagem usada para os dispositivos de velocidade máxima que o tornam inaplicável e / ou proibitivo para dispositivos de alta velocidade?

Definitivamente, existem leis de marketing envolvidas. :-)

A Ethernet Gigabit e a Ethernet 10G possuem isolamento galvânico. Então, obviamente, é possível e rotineiramente feito com a tecnologia atual.

Um extensor USB de fibra óptica funciona basicamente como um acoplador óptico, exceto que a fonte de luz e o receptor de luz estão em chips separados. Combinar as funções de um extensor de fibra em um único pacote deve ser mais barato, não mais caro. Usar acoplamento magnético ou capacitivo em vez de acoplamento óptico deve ser mais barato novamente.

O USB é normalmente usado para conexões de dados de curta distância (até 5m), onde não existem diferenças significativas no potencial de aterramento e o isolamento galvânico é desnecessário.

Existem algumas aplicações, por exemplo, ruídos médicos ou com baixo nível de eletricidade, que requerem ou se beneficiam do isolamento galvânico. Todas essas aplicações são especializadas e as soluções existentes de extensor de fibra atendem totalmente ao requisito de isolamento galvânico. Além disso, soluções sem fio como Bluetooth, Zigbee etc. também atendem aos requisitos de isolamento (em baixa velocidade). Em conclusão, provavelmente não existe muito nicho de mercado para os isoladores USB.

FWIW, usei um extensor de fibra alguns anos atrás, durante o trabalho de desenvolvimento em um subsistema de fonte de alimentação de alta tensão. Eu só precisava do isolamento, a fibra permaneceu enrolada no banco.

Obrigado pelos links.

Editar: Quanto à parte da pergunta "As leis da física estão envolvidas, ..." Não, existem muitos links de comunicação mais rápidos e isolados galvanicamente, como Gigabit Ethernet, 10G Ethernet e até soluções sem fio.

"... ou isso é apenas um desafio de engenharia ou uma questão de custos?" Sim, a partir de 2018, o desafio de engenharia é menor do que teria sido há alguns anos atrás, mas ainda seria um esforço significativo. Mas quem financiaria o desenvolvimento de tais soluções se a demanda parecer muito limitada?

Existem chips repetidores isolados prontos para a taxa de transferência USB de 12Mbps: ADuM4160 da Analog Devices ou LTM2884 da Linear Technology . Surpreendentemente, para mim, ambos contêm transformadores de sinal de acoplamento indutivo = miniatura no chip como elementos de acoplamento, conectados ao mundo externo por transceptores tamponados com silício (CMOS?). Me faz pensar por que o isolamento não é óptico hoje em dia ...

Observe que 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e ou RS422, todos usam um par balanceado em qualquer direção, juntos, incluindo um link full-duplex de 4 fios. Gigabit e 10Gb Ethernet funcionam dessa maneira apenas em fibra ótica, eu acho.

Por outro lado, o USB baixo / completo / alta velocidade usa um único par balanceado, no modo half-duplex, em que o host e o dispositivo se revezam conversando no barramento e precisam tri-indicar o driver de linha quando terminarem conversando, para dar uma chance à outra parte (um pouco semelhante ao RS485, embora muitos detalhes elétricos e de estrutura sejam diferentes).

Qualquer isolador galvânico, incluindo os chips mencionados acima, deve respeitar esse estilo de comunicação de comutação de direção half-duplex. Teoricamente, um trafo de sinal único deve funcionar a 12 Mbps, exceto os resistores de polarização DC, e o enquadramento possivelmente também não está "livre de offset DC em média", dificultando o uso de um trafo passivo. Atenuação de lado.

Talvez seja precisamente essa necessidade do isolador ativo "virar a mesa" rápido o suficiente, para detectar o fim da transmissão, o que torna impraticável a implementação de um "repetidor USB estúpido" a 480 Mbps, mesmo no silício atual. Supostamente, existem outras alterações na interface elétrica do USB 2.0 de alta velocidade (sinalização de corrente constante) que podem ser outro fator pelo qual o USB de alta velocidade não se presta facilmente a esse tipo de comutação RX / TX no estilo 485 em um repetidor burro.

Observe que há uma abordagem alternativa para o problema da "mudança de direção": em vez de detectar um Z alto na linha de maneira analógica, que traz alguma latência inerente (atraso), o isolador precisaria entender o protocolo USB, apenas como um hub USB faz - para saber quando esperar que um final do quadro seja recebido no momento. E, possivelmente, armazenaria quadros inteiros em buffer, antes de retransmiti-los para o outro lado - assim como faz um hub USB. (Ou é?) Efetivamente, o isolador teria que se tornar um hub USB, com uma lacuna de isolamento em algum lugar.

É um tanto surpreendente para mim que não haja repetidores isolados no estilo hub. Possivelmente porque ATMEL e amigos fazem hubs, e Analog ou Linear (ou Avago?) Fazem isoladores, mas as duas gangues não se misturam ...

O problema de transportar a alta taxa de bits sobre uma lacuna de isolamento não deve ser tão difícil - mas mesmo essa área parece surpreendentemente "subdesenvolvida" ou parece sofrer de alguma forma uma lacuna. Ethernet de 10 Gb sobre fibra existe há anos, com SERDES de banda base bit a bit (fluxo de bits), transmitidos por um "laser" (pelo menos um VCSEL) e recebidos por um fotodiodo. No entanto, os optoacopladores embalados em DIL mal chegaram a 50 Mbps ou mais. De onde vem a lacuna? Bem, parece-me que os caras que fabricam os opto-acopladores DIL dependem de fontes de LED relativamente lentas e receptores de foto-transistor. Enquanto os caras que fabricam fibras fabricam seus VCSELS e fotodiodos adequados para o acoplamento a uma fibra - com corrente de polarização ajustável, com um diodo de feedback local amarrado ao VCSEL etc. essas peças de alta qualidade. Observe que o material de gigabit acoplado a fibra normalmente usa acoplamento CA nas interfaces elétricas, mas isso não deve ser um grande problema,

Talvez seja apenas uma visão conservadora da indústria, da minha parte. Talvez a tecnologia de alta largura de banda gigabit já tenha se mudado para uma nova era, onde você só pode tocar em termos de barramentos e interfaces padronizados, e não faz sentido tornar componentes discretos capazes de transferir uma lógica simples estúpida 1/0 em um único sinal . Talvez esse seja apenas o meu pensamento de estilo de dinossauro, de que você ainda pode hackear coisas assim. A era moderna de GHz parece "elevar a fasquia" contra hackers casuais com um ferro de soldar. Os hackers eletrônicos tornaram-se uma questão de laboratórios fechados com equipamentos caros, disponíveis apenas para grandes fornecedores líderes do setor. É um clube fechado. A partir de agora, tudo o que você pode hackear é software, ou talvez algumas coisas triviais de antena.

Os transformadores de sinal aparentemente são bons apenas para centenas baixas de MHz. O 1000Base-TX e, especialmente, 10GBase-TX exigem muito modulação astuciosa para compactar os dados em muitos "bits por símbolo", em faixas balanceadas full-duplex por par, às custas do processamento DSP com muita energia para toda a modulação / cancelamento de eco local / pré-equalização ... apenas para caber dentro de talvez 200 MHz de largura de banda disponível através dos "magnéticos" (transformadores de sinal). Se você gosta da tecnologia de antena de TV, pode ter notado que, na faixa superior, digamos 500-800 MHz e acima, os isoladores galvânicos são estritamente capacitivos. Não importa qual o material principal que você escolher, os transformadores indutivos não são bons para essas frequências.

No final ... você sabe o que? O USB3 parece usar linhas de transmissão de pares balanceados separados: um par para TX, um par para RX. Parece voltar para casa.

Desculpa.

Respondendo literalmente: não, hoje em dia não há mais limitações.

Ainda soluções práticas <400 $ são raras. Isso é algo de design físico, ou melhor, eletrônico novamente, não apenas marketing e produção em volume.

Mas, há alguns anos, o VCSEL era muito caro e o paralelismo também aumenta o custo do isolamento e tem problemas de protocolo inerentes devido ao aumento do atraso (ficamos satisfeitos quando o USB passou do barramento serial inútil para algo com alguma confiabilidade).

Até 2015/16, a taxa de bits dos isoladores digitais disponíveis no mercado é limitada, para 150Mbit / s, para os meus resultados. Encontrei apenas uma empresa, veja abaixo, oferecendo um chip USB2 480MBit / s.

Basta olhar para o princípio subjacente do iCoupler da AD. Eles usam trens de pulso com larguras de pulso de 1ns e reconstroem os pulsos originais por meio dessa abordagem de digitalização, com uma taxa de bits transferível de até 150Mbit / s, o que não é largura de banda suficiente para USB2 de alta velocidade ou USB3.

O bom do icoupler do AD é que eles são capazes de transferir energia para fornecer energia ao lado secundário (não muito, mas ainda assim ...), e muitos de seus chips possuem, por exemplo, RX, TX e uma bobina de energia. Tudo que você precisa fazer é adicionar alguns capacitores. Portanto, a espera valerá a pena.

A Corning utiliza verdadeiras técnicas de fibra ótica com lasers VCSEL como emissores (sempre foi uma coisa fisicamente viável, embora não haja um caminho acessível até recentemente).

Pelo menos os cabos ópticos USB3.0 de corning são acessíveis, 110 $ para a versão de 10m. Você pode precisar de algum hub USB3 alimentado posteriormente para clientes que consomem muita energia (se precisar de mais de 200mA ou mais, mas o corning diz que transferirá "sem energia"). E você pode ter azar (ou baixa confiabilidade) em algumas configurações, esteja preparado para voltar atrás.

Às vezes, recebemos informações de patentes. Mas alguém teria que pagar taxas de licença para usá-lo, se não o proprietário. Encontrei um da silanna.com, empresa australiana de chips, consulte as patentes do Google, WO2015104606A1. Ah, a solução de alta velocidade USB2 baseada em isolador capacitivo USB2 Silicon on Saphire está disponível: http://www.silanna.com/usb.html Portanto, esperamos por uma placa de identificação com isolamento DC-DC de alta eficiência incluído, como eles afirmam estar trabalhando.

Você certamente poderia argumentar que todos os lasers se desgastam, capacitores têm suas armadilhas, etc ... E é por isso que o AD usa acoplamento magnético, entre outros motivos, como rejeição de trilho comum. Consulte http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf. É necessário trocar a espessura do isolamento versus as larguras de banda transmissíveis. Vamos esperar que eles alcancem 5 GBit / s, o que significaria, para ter um jitter aceitável, internamente eles teriam que transmitir como 20..30 Gpulses / s, se eles reutilizassem a técnica do icoupler ...

Espero que agora tenha entregue mais aos literais da pergunta ...

Para mim, comprarei o corning, mas adicionarei minha própria fonte de alimentação DC-DC isolada para ter USB para alimentar minha digilent discovery 2 analógica, sem nenhum plugue (parede) adicional. Como é relatado que alguns cabos ópticos não são compatíveis com USB2, talvez algum hub USB pequeno (1 porta) precise ser colocado após o descarte. Juntos, por enquanto, isso torna a abordagem desajeitada e uma colcha de retalhos de 3 módulos.

Atenciosamente, Andi

Vale ressaltar que, embora a taxa de dados da Gig Ethernet seja muito maior que a USB2 de alta velocidade, na verdade, ele usa todos os 4 pares de cabos cat5 para conseguir isso. Além disso, ele usa um esquema de modulação com vários níveis (PAM5) para manter a taxa de sinalização elétrica em cada par aproximadamente a mesma que 100baseT, ou seja, cerca de 25Mhz, que os transformadores lidam bem.

Usb usa apenas dois níveis, então aqui a taxa de sinalização é a mesma que a taxa de dados. A taxa total de 12mbits / s é metade da taxa de sinalização da Gbit Ethernet e é alcançável. A conversão de 480 Mbits / s com binário simples é uma tarefa para a ótica, ou uma solução mais esperta, como paralelizar os dados do usb e convertê-los a uma taxa mais baixa. Esta não é a minha idéia, .. eu vi proposto algumas semanas atrás.

Na verdade, existem muitas configurações de multimídia, placas de som com problemas em que há conexões de áudio, dados e energia. As configurações do estágio Prof 'com placas de som USB apresentam problemas em que vários teclados são conectados ao mesmo PC via USB e compartilham também fontes de áudio e energia. Normalmente, temos que isolar o áudio, mas, mesmo assim, podemos gerar ruído nos próprios geradores de áudio dos dispositivos, através das conexões USB e de energia. Espero que isso ajude a entender.