USB: isolamento dell’interfaccia nelle applicazioni critiche

L'interfaccia USB è oggi ampiamente utilizzata in numerose applicazioni, sia a livello domestico che su scala industriale. Quando il bus USB è chiamato ad operare in contesti particolari (si pensi alle apparecchiature biomedicali) o in condizioni ambientali particolarmente ostili, diventa fondamentale ricorrere ad opportune tecniche di isolamento e protezione. Scopriamo in questo articolo come il transceiver LTM2884 di Linear Technology possa svolgere egregiamente questo ruolo, fornendo un isolamento galvanico adatto anche alle applicazioni più critiche.

Introduzione

Provate a collegare il vostro computer desktop a un dispositivo industriale o elettromedicale utilizzando un normale cavo USB (Universal Serial Bus), e potreste presto fare una scoperta molto dolorosa. Sia il vostro PC che il dispositivo periferico potrebbero infatti essere collegati a prese diverse con differenti potenziali di terra. Dopo aver instaurato il collegamento, il cavo USB potrebbe creare un percorso preferenziale verso terra, ovvero un "cammino" di impedenza inferiore rispetto a quella di entrambi i dispositivi, provocando il potenziale danneggiamento di ogni componente lungo il percorso dell’alimentazione USB.

Supponiamo ora che al posto del PC si utilizzi un dispositivo alimentato tramite bus USB, come ad esempio uno scanner portatile, e il vostro problema potrebbe ora tradursi in un livello di potenza insufficiente fornito dalla porta. Forse ancora più frustrante è sapere che tutti i dispositivi sono stati correttamente collegati e alimentati, ma il rumore elettrico dell’ambiente rende la comunicazione confusa e problematica.

Lo standard USB fu sviluppato a metà degli anni ’90 e non è stato progettato per operare in ambienti particolarmente rumorosi. Il suo scopo era quello di permettere la connessione di periferiche di bassa potenza a un PC, con collegamenti corti in ambienti relativamente tranquilli, come un’abitazione o un ufficio. Con il passare degli anni, lo standard USB ha acquisito una notevole popolarità grazie a caratteristiche rimarchevoli quali velocità e facilità di implementazione. I progettisti possono contare su di essa per collegare al computer un’enorme varietà di periferiche custom, ma è diventato subito chiaro che in certe applicazioni (come quelle industriali ed elettromedicali) era richiesto un adeguato livello di isolamento. I transceiver USB isolati sono presto diventati disponibili sul mercato ma questo tipo di soluzione esclude l’alimentazione isolata e i dispositivi passivi, richiedendo una progettazione più ampia e complessa.

Una soluzione più elegante è quella rappresentata dal transceiver USB isolato LTM2884 di Linear Technology, in grado di semplificare drasticamente il progetto di hub e periferiche USB 2.0 isolate, predisponendoli per un impiego in ambienti ostili.

Isolamento

L’isolamento galvanico viene utilizzato in numerose applicazioni, principalmente per fornire un’adeguata sicurezza nei confronti delle tensioni potenzialmente letali. Viene anche impiegato per eliminare gli effetti del rumore e delle differenze di tensione di modo comune create dai loop di terra, oppure ancora come traslatore di livello tra tensioni operative differenti. Normalmente, la realizzazione di un sistema isolato richiede un certo numero di componenti passivi e attivi da ambo i lati della barriera di isolamento, oltre ai componenti richiesti dalle barriere stesse. Tali componenti sono notoriamente difficili da utilizzare, incrementando significativamente i costi e i tempi per la realizzazione dell'intero sistema.

Considerando questi aspetti, Linear Technology ha sviluppato la linea di isolatori μModule®, in grado di semplificare la progettazione dei sistemi isolati attraverso l’inserimento di un modulo - non è richiesto alcun componente complesso per realizzare la barriera. Infatti, gli isolatori μModule non richiedono alcun componente esterno addizionale. L’isolatore USB μModule LTM2884, visibile nell'immagine seguente, fornisce un isolamento galvanico pari a 2500VRMS e integra un transceiver USB 2.0, un convertitore flyback, un LDO con correnti inattive ultra-ridotte, e tutti i necessari componenti passivi in un package BGA a montaggio superficiale di 15 x 15 x 5mm.

Come gli altri isolatori della famiglia μModule, l’LTM2884 utilizza delle bobine accoppiate induttivamente, oppure dei trasformatori senza nucleo, per trasferire i dati attraverso la barriera isolata di 2500VRMS, mentre alcuni circuiti integrati dedicati si occupano della trasmissione e ricezione dei dati per entrambi i canali USB in entrambe le direzioni.

I segnali presenti su ambo i lati della barriera vengono codificati in impulsi e traslati attraverso la barriera utilizzando i trasformatori senza nucleo presenti nel substrato μModule. Questo tipo di sistema, completato da funzionalità quali refresh dei dati, controllo degli errori, shutdown sicuro in caso di guasto, e un livello di immunità di modo comune estremamente elevato, rappresenta una soluzione molto robusta per l’isolamento bidirezionale del segnale.

L’alimentazione viene, invece, isolata nell’LTM2884 grazie all'impiego degli strumenti più comuni: è derivata da un convertitore flyback in modalità boundary con stabilizzazione della tensione sul lato primario. Questo tipo di schema fornisce una soluzione semplice, flessibile, tollerante ai guasti, e relativamente efficiente (~65%).

L’LTM2884 dispone di due ingressi separati per alimentare il transceiver USB integrato e il convertitore DC/DC. Il transceiver USB può essere alimentato con tensioni comprese tra 4,4V e 16,5V, prelevate dal bus oppure da un alimentatore esterno. Il convertitore accetta le stesse sorgenti di alimentazione.

Quando viene collegato ai 5V forniti dal bus, le periferiche isolate possono sfruttare una potenza isolata fino a 1W (200mA @ 5V); se invece viene utilizzato un alimentatore esterno con tensione superiore a 8,6V, le periferiche avranno a disposizione una potenza di ben 2,5W (500mA @ 5V)!

Semplificazione del progetto

L’LTM2884 è compatibile con entrambe le modalità USB 2.0 full speed (12Mbps) e low speed (1,5Mbps). Come indicato nell'immagine seguente, l’LTM2884 rileva la velocità di un dispositivo USB sulla porta a valle e successivamente imposta i valori delle resistenze di pull-up interne sulla porta a monte, in modo tale da accoppiare correttamente le velocità. Le resistenze integrate di pull-down supportano anche la configurazione del bus a valle.

L’LTM2884 mantiene le condizioni di stato idle del bus USB monitorando la condizione di idle a valle e aggiornando lo stato attraverso la barriera di isolamento con un rate costante. Se la porta a monte si mantiene nello stato (idle) per più di 3ms, l’LTM2884 può portarsi nella modalità suspend in modo tale da ridurre il suo assorbimento a meno di 500µA. La funzionalità di selezione automatica della velocità elimina la necessità di impostare degli jumper o configurare il software, permettendo la realizzazione di progetti con plug-'n'-play reale.

Mentre l’isolamento fornisce una protezione nei confronti dei differenziali di terra, altri tipi di protezione sono richiesti per combattere il rumore, i transienti, e le sovratensioni comunemente presenti negli ambienti rumorosi. Uno dei principali benefici apportati dall’isolamento galvanico è rappresentato dalla capacità della barriera isolante di trattenere elevate differenze di potenziale, eliminando la necessità di adottare altre tecniche di protezione come gli ingrombranti soppressori dei transitori di tensione (MOV, TVS, ecc).

Non solo, l’LTM2884 è in grado di sopportare agevolmente 2500VRMS (3500VPICCO) fino a 1 minuto, ma sopporta anche scariche elettrostatiche di ±15kV HBM (human body model) sui pin USB e ±15kV HBM attraverso la barriera isolante. I valori di ESD particolarmente elevati sono attribuibili alla barriera isolante, performante e accuratamente progettata, in grado di sopportare un rate transitorio di modo comune pari a 30kV/us (50kV/µs come valore tipico) e di permettere all’LTM2884 di funzionare correttamente anche in presenza di transitori. 

L’LTM2884 è caratterizzato da un’elevata immunità ai campi sia RF che magnetici, e non genera livelli elevati di EMI (interferenza elettromagnetica). La tecnologia di isolamento µModule utilizzata nell’LTM2884 è stata valutata separatamente e ha superato con successo i requisiti di test relativi all’immunità RF e al campo magnetico previsti dallo Standard Europeo EN 55024, in accordo con lo standard di test EN 61000-4-3. Inoltre, le tecniche di progettazione ed il layout permettono all’LTM2884 di minimizzare l’EMI a un punto ben al di sotto del limite di Classe B previsto dal CISPR 22, eliminando la necessità di utilizzare complesse schermature EMI e tecniche di mitigazione.

Applicazioni con isolamento

Non sono molte le configurazioni di circuiti dove occorra isolare le porte USB. I componenti isolanti, come l’LTM2884, possono essere collocati sia all’ingresso di una periferica, in linea con il cavo USB (ripetitore), oppure all’uscita di un hub/host. L’LTM2884 rappresenta la scelta ideale per praticamente ogni tipo di dispositivo USB, indipendentemente dall’applicazione finale o dal segmento di mercato. Il footprint di soli 225 mm2 richiede uno spazio minimo sulla board, mentre quasi tutte le caratteristiche elettriche sono testate e garantite su un’ampia gamma di temperature operative, compresa tra -40°C e 105°C. La certificazione a livello di componente UL 1577 è in corso, e l’LTM2884 è in grado di soddisfare tutti i requisiti dello standard di sicurezza medicale, IEC 60601-1, fatta eccezione per un numero ridotto di test MOOP (means of operator protection) e MOPP (means of patient protection) che richiedono una tensione alternata superiore a 2500kVRMS. In aggiunta, la spaziatura tra i pin dell’LTM2884 superiore a 9mm (distanza di isolamento), come anche la distanza di 100µm per l’isolamento e di 114µm per la potenza, rappresentano alcuni parametri di sicurezza che consentono ai sistemi USB di superare diversi livelli di standard relativi ai dispositivi.

L’LTM2884 ha così tante applicazioni da poter essere facilmente trovato all’interno di numerosi progetti di Linear Technology, prima ancora del suo rilascio al pubblico. Nell'immagine qui in basso possiamo vedere un LTM2884 impiegato come cuore di un isolatore USB inline di Linear Technology, un dispositivo standalone utilizzabile come un completo reference design, ma che può anche essere acquistato per aggiungere la funzionalità di isolamento USB a numerosi progetti. L’LTP2884 garantisce tutti i benefici dell’LTM2884 in un piccolo contenitore, completato da una protezione ESD di +/-20kV, indicazione di stato e allarme tramite LED, e connettori USB a elevata ritenzione. Ovviamente non è richiesto alcun driver o software particolare, è semplicemente un dispositivo plug and play!

4 Commenti

  1. Boris L. 29 settembre 2014
  2. Stefano Sivera 29 settembre 2014
  3. Antonio Riccelli 24 giugno 2019
    • Stefano Lovati Stefano Lovati 24 giugno 2019

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