Mam izolator USB, który zapewnia galwaniczną izolację urządzenia USB od mojego komputera, ale działa tylko w przypadku niskiej i pełnej prędkości USB. Nie mogę znaleźć alternatywnych izolatorów elektrycznych, które zapewniają połączenie Hi-Speed; Przedłużacze światłowodowe USB są jednak oferowane z wysoką przepustowością i powinny zapewniać zarówno izolację galwaniczną, jak i wysoką przepustowość, choć być może droższym?
Czy istnieje praktyczne lub fizyczne ograniczenie przepustowości izolatora galwanicznego dla USB? Czy wiążą się z tym rzeczywiste prawa fizyki, czy jest to jedynie wyzwanie inżynieryjne lub kwestia kosztów?
Edytować
Pozwól, że sformułuję moje własne pytanie:
Izolatory USB niewłókniste kosztują około 100 €, ale są ograniczone do pełnej prędkości USB. Izolatory USB Hi-Speed nie istnieją, więc zakładam, że nie da się ich zrobić za 100 euro, ale kosztują znacznie więcej (1000 euro - 10000 euro). W takiej cenie nie ma rynku, dlatego nie ma dostępnych izolatorów USB o wysokiej prędkości.
Pytanie zatem brzmi: co sprawia, że izolator USB o dużej prędkości jest o wiele droższy od izolatora USB o dużej prędkości? Czy istnieje fizyczne ograniczenie podejścia zastosowanego w przypadku urządzeń o pełnej prędkości, które powoduje, że nie ma ono zastosowania i / lub nie pozwala na ponoszenie wysokich kosztów w przypadku urządzeń o wysokiej prędkości?
Odpowiedzi:
W grę wchodzą zdecydowanie zasady marketingu. :-)
Gigabit Ethernet i 10G-Ethernet mają izolację galwaniczną. Oczywiście jest to możliwe i rutynowo wykonywane przy użyciu dzisiejszej technologii.
Światłowodowy przedłużacz USB zasadniczo działa trochę jak opto-sprzęgacz, tyle że źródło światła i odbiornik światła są na osobnych układach scalonych. Łączenie funkcji przedłużacza włókien w jednym pakiecie powinno być tańsze, a nie droższe. Zastosowanie sprzężenia magnetycznego lub pojemnościowego zamiast optycznego powinno być znowu tańsze.
USB jest zwykle używane do połączeń danych na krótkich odległościach (do 5 m), gdzie nie istnieją znaczące różnice w potencjale uziemienia i izolacja galwaniczna nie jest konieczna.
Istnieje kilka zastosowań, np. Medyczny lub niski poziom szumów elektrycznych, które wymagają izolacji galwanicznej lub korzystają z niej. Wszystkie te aplikacje są wyspecjalizowane, a istniejące rozwiązania przedłużaczy włókien w pełni pokrywają wymagania izolacji galwanicznej. Ponadto rozwiązania bezprzewodowe, takie jak Bluetooth, Zigbee itp., Również spełniają wymagania izolacji (przy niskich prędkościach). Podsumowując, prawdopodobnie nie ma wiele nisz rynkowych dla izolatorów USB.
FWIW, kilka lat temu użyłem przedłużacza światłowodu podczas prac rozwojowych nad podsystemem zasilacza wysokiego napięcia. Potrzebowałem tylko izolacji, włókno pozostało zwinięte na ławce.
Dzięki za linki.
Edycja: Jeśli chodzi o część pytania „Czy w grę wchodzą rzeczywiste prawa fizyki, ...” Nie, istnieje wiele szybszych, izolowanych galwanicznie łączy komunikacyjnych, takich jak Gigabit Ethernet, 10G Ethernet, a nawet rozwiązania bezprzewodowe.
„... czy to tylko wyzwanie inżynieryjne lub problem z kosztami?” Tak, od 2018 r. Wyzwanie inżynieryjne jest mniejsze niż kilka lat temu, ale nadal będzie znaczącym wysiłkiem. Ale kto sfinansuje rozwój takich rozwiązań, jeśli popyt wydaje się bardzo ograniczony?
źródło
Istnieją gotowe izolowane układy repeatera dla szybkości transferu USB 12 Mb / s: ADuM4160 firmy Analog Devices lub LTM2884 firmy Linear Technology . Zaskakujące jest dla mnie, że oba zawierają sprzężenie indukcyjne = miniaturowe transformatory sygnałowe w układzie scalonym jako elementy sprzęgające, połączone ze światem zewnętrznym za pomocą transceiverów buforowanych krzemem (CMOS?). Zastanawiam się, dlaczego w dzisiejszych czasach izolacja nie jest optyczna ...
Należy pamiętać, że Ethernet 100Base-TX, SATA, PCI-e lub RS422 używają zrównoważonej pary w obu kierunkach, razem zawierającej 4-żyłowe łącze pełnego dupleksu. Gigabit i 10 Gb Ethernet działają w ten sposób tylko na światłowodach.
W przeciwieństwie do tego, USB niska / pełna / wysoka prędkość korzysta z jednej zrównoważonej pary, w trybie półdupleksu, w której host i urządzenie na zmianę rozmawiają w autobusie i muszą skończyć konfigurację sterownika linii po zakończeniu mówiąc, aby dać szansę drugiej stronie (nieco podobnej do RS485, choć wiele szczegółów elektrycznych i ramek jest różnych).
Każdy izolator galwaniczny, w tym wspomniane powyżej układy scalone, musi przestrzegać tego stylu komunikacji w trybie półdupleksu z przełączaniem kierunku. Pojedynczy trafo sygnałowy powinien teoretycznie działać z prędkością 12 Mb / s, z wyjątkiem rezystorów polaryzujących prąd stały, a kadrowanie prawdopodobnie nie jest również „wolne od przesunięcia prądu stałego średnio”, co utrudnia użycie pasywnego trafo. Pomijając tłumienie.
Być może właśnie ta potrzeba, aby aktywny izolator wystarczająco szybko „obrócił stół”, aby w pierwszej kolejności wykryć koniec transmisji, sprawia, że implementacja „głupiego repeatera USB” przy prędkości 480 Mb / s jest niepraktyczna, nawet w dzisiejszym krzemie. Podobno są pewne inne zmiany w interfejsie elektrycznym dla szybkiego USB 2.0 (stała sygnalizacja prądowa), co może być kolejnym czynnikiem, dlaczego szybkie USB nie nadaje się łatwo do tego rodzaju przełączania RX / TX w stylu 485 w głupi repeater.
Zauważ, że istnieje alternatywne podejście do problemu „przełączania kierunku”: zamiast wykrywać wysokie Z na linii w sposób analogowy, który niesie ze sobą pewne nieodłączne opóźnienie (opóźnienie), izolator musiałby zrozumieć protokół USB, po prostu tak jak robi to koncentrator USB - aby wiedział, kiedy spodziewać się końca ramki. Być może buforowałby całe klatki, zanim przekaże je na drugą stronę - tak jak robi to hub USB. (A może to robi?) Skutecznie izolator musiałby stać się koncentratorem USB, z przerwą izolacyjną gdzieś tam.
To jest dla mnie nieco zaskakujące, że nie ma izolowanych repeaterów w stylu hub. Być może dlatego, że ATMEL i przyjaciele tworzą huby, a Analog lub Linear (czy Avago?) Tworzą izolatory, ale te dwa gangi nie mieszają się ...
Problem przenoszenia wysokiej przepływności przez lukę izolacyjną nie powinien być aż tak trudny - ale nawet ten obszar wydaje się zaskakująco „słabo rozwinięty” lub wydaje się, że ma jakąś lukę. Ethernet 10 Gb przez światłowód istnieje od lat, z bitowym pasmem podstawowym SERDES (strumień bitów), transmitowanym przez „laser” (co najmniej VCSEL) i odbieranym przez fotodiodę. Jednak opto-sprzęgacze w pakiecie DIL osiągnęły zaledwie 50 Mb / s. Skąd bierze się luka? Wydaje mi się, że faceci wykonujący opto-sprzęgacze DIL polegają na stosunkowo wolnych źródłach LED i odbiornikach fototranzystorowych. Podczas gdy faceci wytwarzający włókna tworzą ich VCSELS i fotodiody nadające się do sprzęgania z włóknem - z regulowanym prądem polaryzacji, z lokalną diodą sprzężenia zwrotnego przymocowaną do VCSEL itp. Najwyraźniej nikt nie wpadł na pomysł, aby zbudować transoptor elektryczny z elektrycznego te wysokiej jakości części. Należy pamiętać, że gigabitowe sprzężenie światłowodowe zwykle wykorzystuje sprzężenie AC na interfejsach elektrycznych, ale nie powinno to stanowić dużego problemu,
Może to z mojej strony konserwatywny, oldskulowy pogląd na przemysł. Może gigabitowa technologia szerokopasmowa przeszła już w nową erę, w której można grać tylko w zakresie standardowych szyn i interfejsów, i nie ma sensu tworzyć dyskretnych komponentów zdolnych do przesyłania głupiej prostej logiki 1/0 na pojedynczy sygnał . Może to tylko moje myślenie w stylu dinozaura, że nadal możesz razem hakować takie rzeczy. Współczesna era GHz wydaje się „podnosić poprzeczkę” w stosunku do zwykłych hakerów za pomocą lutownicy. Hakowanie elektroniki stało się kwestią zamkniętych laboratoriów z drogim sprzętem, dostępnym tylko dla dużych wiodących dostawców. To zamknięty klub. Odtąd wszystko, co możesz hackować, to oprogramowanie, a może jakieś trywialne anteny.
Transformatory sygnałowe najwyraźniej są dobre tylko w niskich setkach MHz. 1000Base-TX, a zwłaszcza 10GBase-TX, wymagają sprytnej modulacji, aby wycisnąć dane na wiele „bitów na symbol”, na zbalansowanych liniach pełnego dupleksu na parę, kosztem energochłonnego przetwarzania DSP dla całej modulacji / lokalna eliminacja echa / wstępna korekcja ... tylko po to, aby zmieścić się wewnątrz może 200 MHz szerokości pasma dostępnej dzięki „magnetyce” (transformatorom sygnałowym). Jeśli interesujesz się technologią anten telewizyjnych, być może zauważyłeś, że w górnym zakresie, powiedzmy 500-800 MHz i więcej, izolatory galwaniczne są ściśle pojemnościowe. Bez względu na to, jaki materiał rdzeniowy wybierzesz, transformatory indukcyjne po prostu nie nadają się na te częstotliwości.
W końcu ... wiesz co? USB3 wydaje się używać oddzielnych linii transmisji zrównoważonej pary: jedna para dla TX, jedna para dla RX. Czuję się jak w domu.
źródło
Przepraszam.
Odpowiedź dosłownie: nie, obecnie nie ma już żadnych ograniczeń.
Wciąż praktyczne rozwiązania <400 $ są rzadkie. To znowu coś fizycznego, a raczej elektronicznego, nie tylko marketing i produkcja masowa.
Ale kilka lat temu VCSEL było zbyt drogie, a równoległość również podnosi koszt izolacji i ma nieodłączne problemy z protokołem z powodu zwiększonego opóźnienia (cieszymy się, gdy USB zmieniło się z bezużytecznej magistrali szeregowej na coś z pewną niezawodnością).
Nawet w 2015/16 szybkość bitów dostępnych gotowych cyfrowych izolatorów IC jest ograniczona, do 150 Mb / s według moich ustaleń. Znalazłem tylko jedną firmę, patrz poniżej, oferującą układ USB2 480 MBit / s.
Wystarczy spojrzeć na podstawową zasadę iCoupler AD. Używają ciągów impulsów o szerokości impulsu 1ns i rekonstruują oryginalne impulsy dzięki temu, dobrze, cyfrowemu podejściu, z przepływnością do 150 Mb / s, co nie jest wystarczającą przepustowością dla USB2 highspeed lub USB3.
Zaletą icouplera AD jest to, że są w stanie przenosić energię, aby zapewnić stronie wtórnej moc (nie dużo, ale nadal ...), a wiele ich układów ma np. RX, TX i cewkę mocy. Wszystko, co musisz zrobić, to dodać kondensatory. Więc warto będzie czekać.
Corning używa prawdziwych technik światłowodowych z laserami VCSEL jako emiterów (zawsze była to fizycznie opłacalna rzecz, choć do niedawna nie była to droga dostępna).
Przynajmniej kable optyczne USB3.0 są dostępne w cenie, 110 $ za wersję 10m. Może być później potrzebny zasilany koncentrator USB3 dla klientów wymagających dużej mocy (jeśli potrzebujesz więcej niż 200 mA, ale corning twierdzi, że przekazałby „brak zasilania”). W niektórych konfiguracjach możesz mieć pecha (lub niską niezawodność), bądź przygotowany na cofnięcie go.
Czasami otrzymujemy informacje z patentów. Ale ktoś musiałby uiścić opłaty licencyjne za korzystanie z niego, jeśli nie właściciel. Znalazłem jeden przez silanna.com, australijską firmę Chip, patrz patenty Google, WO2015104606A1. Aha, ich USB2 Silicon na szybkim rozwiązaniu USB2 opartym na izolatorze pojemnościowym Saphire jest już dostępny: http://www.silanna.com/usb.html Więc czekamy na płytę protypingową z wysokowydajną izolacją DC-DC, tak jak twierdzą, że nad tym pracują.
Z pewnością można argumentować, że wszystkie lasery zużywają się, kondensatory mają swoje pułapki itp. I dlatego AD wykorzystuje sprzężenie magnetyczne, między innymi z powodu odrzucenia wspólnej szyny. Zobacz http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Tam musisz wymienić grubość izolacji w porównaniu z transmitowalnymi szerokościami pasma. Poczekajmy, aż dogonią 5 GBit / s, co oznaczałoby, że mają akceptowalny jitter, wewnętrznie musieliby przesyłać około 20..30 Gps / s, gdyby ponownie użyli techniki icoupler ...
Mam nadzieję, że przekazałem teraz więcej literałów pytania ...
Dla mnie kupię puszkę, ale dodam własny izolowany zasilacz DC-DC, aby mieć USB do zasilania mojego digilent analogowego odkrycia 2, bez dodatkowych wtyczek (ściennych). Ponieważ podobno niektóre kable optyczne nie są kompatybilne z USB2, być może jakiś mały (1portowy) hub USB musiałby zostać umieszczony po wyładowaniu. Razem, na razie, sprawia to, że podejście jest niezdarne i mozaika 3 modułów.
Pozdrawiam Andi
źródło
Warto zauważyć, że chociaż szybkość danych Gig Ethernet jest znacznie wyższa niż USB2 high speed, w rzeczywistości wykorzystuje wszystkie 4 pary kabla cat5, aby to osiągnąć. Ponadto wykorzystuje schemat modulacji z wieloma poziomami (PAM5), aby utrzymać szybkość sygnalizacji elektrycznej dla każdej pary w przybliżeniu taka sama jak 100baseT, a mianowicie około 25 MHz, z którą dobrze radzą sobie transformatory.
USB używa tylko dwupoziomowego, więc tutaj szybkość sygnalizacji jest taka sama jak szybkość transmisji danych. Pełna szybkość 12 Mb / s stanowi połowę szybkości sygnalizacji Ethernet Gbit i jest osiągalna. Konwersja 480 Mb / s za pomocą zwykłego pliku binarnego jest zadaniem optyki lub bardziej sprytnym rozwiązaniem, takim jak równoległe przesyłanie danych USB i konwertowanie ich z mniejszą szybkością. To nie jest mój pomysł ... widziałem go kilka tygodni temu.
W rzeczywistości istnieje wiele ustawień multimedialnych, kart dźwiękowych, które mają problemy z połączeniami audio, danych i zasilania. Ustawienia sceny Prof z kartami dźwiękowymi USB stwarzają problemy, gdy wiele klawiatur jest podłączonych do tego samego komputera przez USB, i współużytkują również uziemienie audio i zasilania. Zwykle musimy izolować dźwięk, ale nawet wtedy mogą generować szumy na własnych generatorach audio urządzeń przez złącza USB i zasilania. Mam nadzieję, że to pomaga zrozumieć.
źródło