¿Es imposible el aislamiento galvánico del USB de alta velocidad?

Tengo un aislador USB que proporciona aislamiento galvánico de un dispositivo USB desde mi PC, pero solo funciona para USB de baja velocidad y velocidad completa. No puedo encontrar ningún aislador eléctrico alternativo que proporcione una conexión de alta velocidad; Sin embargo, los extensores de fibra USB se ofrecen con un rendimiento de alta velocidad y deben proporcionar aislamiento galvánico y alto ancho de banda, ¿aunque tal vez a un costo mayor?

¿Existe una limitación práctica o física para el ancho de banda de un aislador galvánico para USB? ¿Están involucradas las leyes reales de la física o es simplemente un desafío de ingeniería o un problema de costos?

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Permítanme reformular mi propia pregunta:

Los aisladores USB sin fibra cuestan alrededor de € 100 pero están limitados a USB de velocidad completa. Los aisladores USB de alta velocidad no existen, por lo que supongo que no se pueden fabricar por € 100, pero costarían significativamente más (€ 1000? € 10000). A tal precio, no hay mercado, por lo tanto, no hay aisladores USB de alta velocidad disponibles.

La pregunta es: ¿qué hace que un aislador USB de alta velocidad sea mucho más costoso que un aislador USB de alta velocidad? ¿Existe una limitación física para el enfoque utilizado para los dispositivos de velocidad completa que hace que sea inaplicable y / o que sea prohibitivo para los dispositivos de alta velocidad?

Definitivamente hay leyes de marketing involucradas. :-)

Gigabit Ethernet y 10G-Ethernet tienen aislamiento galvánico. Por lo tanto, obviamente es posible y de forma rutinaria con la tecnología actual.

Un extensor USB de fibra óptica básicamente funciona un poco como un optoacoplador, excepto que la fuente de luz y el receptor de luz están en chips separados. La combinación de las funciones de un extensor de fibra en un solo paquete debería ser más económica, no más costosa. Usar el acoplamiento magnético o capacitivo en lugar del acoplamiento óptico debería ser más barato nuevamente.

El USB se usa normalmente para conexiones de datos de corta distancia (hasta 5 m) donde no existen diferencias significativas en el potencial de tierra y no es necesario el aislamiento galvánico.

Existen algunas aplicaciones, por ejemplo, ruido médico o de bajo ruido eléctrico, que requieren o se benefician del aislamiento galvánico. Todas esas aplicaciones son especializadas y las soluciones existentes de extensor de fibra cubren completamente el requisito de aislamiento galvánico. Además, las soluciones inalámbricas como Bluetooth, Zigbee, etc. también satisfacen el requisito de aislamiento (a bajas velocidades). En conclusión, probablemente no haya mucho nicho de mercado para los aisladores USB.

FWIW, he usado un extensor de fibra hace unos años durante el trabajo de desarrollo en un subsistema de suministro de energía de alto voltaje. Solo necesitaba el aislamiento, la fibra permaneció enrollada en el banco.

Gracias por los enlaces.

Editar: En cuanto a la parte de la pregunta "¿Están involucradas las leyes reales de la física, ...?" No, hay muchos enlaces de comunicaciones más rápidos y aislados galvánicamente como Gigabit Ethernet, 10G Ethernet e incluso soluciones inalámbricas.

"... ¿o es simplemente un desafío de ingeniería o un problema de costos?" Sí, a partir de 2018, el desafío de ingeniería es menor de lo que hubiera sido hace unos años, pero aún sería un esfuerzo significativo. Pero, ¿quién financiaría el desarrollo de tales soluciones si la demanda parece muy limitada?

Hay chips repetidores aislados ya preparados para la velocidad de transferencia USB de 12 Mbps: ADuM4160 de Analog Devices o LTM2884 de Linear Technology . Sorprendentemente para mí, ambos contienen transformadores de señal de acoplamiento inductivo = miniatura en chip como elementos de acoplamiento, interconectados al mundo exterior por transceptores tamponados con silicio (CMOS?). Me hace preguntarme por qué el aislamiento no es óptico en estos días ...

Tenga en cuenta que 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e o RS422, todos utilizan un par equilibrado en cualquier dirección, que en conjunto comprenden un enlace dúplex completo de 4 hilos. Gigabit y Ethernet de 10 Gb funcionan de esa manera solo en fibra óptica, supongo.

Por el contrario, USB de baja / plena / alta velocidad utiliza un solo par equilibrado, en modo semidúplex, donde el host y el dispositivo se turnan para hablar en el bus y tienen que establecer tres veces el controlador de línea cuando terminan hablando, para darle una oportunidad a la otra parte (algo similar a RS485, aunque muchos detalles eléctricos y de encuadre son diferentes).

Cualquier aislador galvánico, incluidos los chips mencionados anteriormente, debe respetar ese estilo de comunicación de conmutación de dirección semidúplex. Teóricamente, un trafo de señal única debería funcionar a 12 Mbps, a excepción de las resistencias de polarización de CC, y el encuadre posiblemente tampoco esté "libre de compensación de CC en promedio", lo que dificulta el uso de un trafo pasivo. Atenuación a un lado.

Tal vez sea precisamente esta necesidad de que el aislador activo "dé vuelta la mesa" lo suficientemente rápido, para detectar el final de la transmisión en primer lugar, lo que hace que la implementación de un "estúpido repetidor USB" a 480 Mbps sea poco práctico, incluso en el silicio actual. Supuestamente, hay otros cambios en la interfaz eléctrica para USB 2.0 de alta velocidad (señalización de corriente constante) que puede ser otro factor por el cual el USB de alta velocidad no se presta fácilmente a este tipo de conmutación RX / TX de estilo 485 en un Repetidor tonto.

Tenga en cuenta que hay un enfoque alternativo para el problema del "cambio de dirección": en lugar de detectar una Z alta en la línea de manera analógica, lo que conlleva cierta latencia inherente (retraso), el aislador tendría que entender el protocolo USB, solo como lo hace un concentrador USB, para que sepa cuándo esperar que se reciba un final del marco actualmente. Y posiblemente, almacenaría fotogramas completos antes de retransmitirlos al otro lado, tal como lo hace un concentrador USB. (¿O sí?) Efectivamente, el aislador tendría que convertirse en un concentrador USB, con una brecha de aislamiento en algún lugar allí.

Es algo sorprendente para mí, que no hay repetidores aislados de estilo hub. Posiblemente porque ATMEL y sus amigos hacen centros, y Analog or Linear (o Avago?) Hacen aisladores, pero las dos pandillas no se mezclan ...

El problema de transportar la alta tasa de bits sobre una brecha de aislamiento no debería ser tan difícil; sin embargo, incluso esta área parece sorprendentemente "subdesarrollada", o parece sufrir una brecha de algún tipo. Ethernet de 10 Gb sobre fibra ha estado allí durante años, con SERDES de banda base bit a bit (flujo de bits), transmitidos por un "láser" (al menos un VCSEL) y recibidos por un fotodiodo. Sin embargo, los optoacopladores empaquetados con DIL apenas han alcanzado los 50 Mbps más o menos. ¿De dónde viene la brecha? Bueno, me parece que los tipos que fabrican los optoacopladores DIL dependen de fuentes de LED y receptores de fototransistor relativamente lentos. Mientras que los muchachos que fabrican material de fibra hacen que sus VCSELS y fotodiodos sean adecuados para el acoplamiento a una fibra, con corriente de polarización ajustable, con un diodo de retroalimentación local atado al VCSEL, etc. Al parecer, nadie tuvo la idea de construir un fotoacoplador eléctrico a eléctrico. esas partes de alto grado. Tenga en cuenta que el material gigabit acoplado a fibra generalmente usa acoplamiento AC en las interfaces eléctricas, pero eso no debería ser un gran problema,

Tal vez es solo una visión conservadora de la vieja escuela de la industria, de mi parte. Tal vez la tecnología de ancho de banda alto de gigabit ya se ha movido a una nueva era, donde solo puede jugar en términos de buses e interfaces estandarizados, y no tiene sentido hacer componentes discretos capaces de transferir una estúpida lógica simple 1/0 en una sola señal . Tal vez este sea solo mi pensamiento de estilo dinosaurio de que todavía puedes hackear cosas juntas de esa manera. La era moderna de GHz parece "elevar el listón" contra los piratas informáticos casuales con un soldador. La piratería electrónica se ha convertido en una cuestión de laboratorios cerrados con equipos caros, solo disponibles para grandes proveedores líderes de la industria. Es un club cerrado. De ahora en adelante, todo lo que puedes hackear es software, o tal vez algunas cosas triviales de antena.

Los transformadores de señal aparentemente solo son buenos en bajos cientos de MHz. 1000Base-TX y especialmente 10GBase-TX hacen un gran esfuerzo de modulación astuta para comprimir los datos en muchos "bits por símbolo", en carriles balanceados full-duplex por par, a costa del procesamiento DSP que consume mucha energía para toda la modulación. / cancelación de eco local / pre-ecualización ... solo para caber dentro de unos 200 MHz de ancho de banda disponible a través de los "magnéticos" (transformadores de señal). Si le gusta la tecnología de antena de TV, es posible que haya notado que en el rango superior, digamos 500-800 MHz y superior, los aisladores galvánicos son estrictamente capacitivos. No importa el material del núcleo que elija, los transformadores inductivos simplemente no son buenos en esas frecuencias.

Al final ... ¿sabes qué? USB3 parece utilizar líneas de transmisión de par equilibrado separadas: un par para TX, un par para RX. Tiene ganas de volver a casa.

Lo siento.

Respondiendo literalmente: no, hoy en día ya no hay limitación.

Todavía soluciones prácticas <400 $ son raras. Esto es algo de diseño físico o más bien electrónico nuevamente, no solo marketing y producción en volumen.

Pero hace unos años, el VCSEL era demasiado costoso, y la paralelización también aumenta el costo del aislamiento y tiene problemas de protocolo inherentes debido al aumento de la demora (nos alegramos cuando el USB cambió del bus serie inútil a algo con cierta confiabilidad).

Incluso 2015/16, la tasa de bits de los IC de aisladores digitales disponibles en el mercado es limitada, a 150Mbit / s, según mis hallazgos. Encontré solo una compañía, ver a continuación, que ofrece un chip USB2 480MBit / s.

Basta con mirar el principio subyacente de iCoupler de AD. Utilizan trenes de pulsos con anchos de pulso de 1ns, y reconstruyen los pulsos originales mediante este, bueno, enfoque de digitalización, con una velocidad de bits transferible de hasta 150Mbit / s, que no es suficiente ancho de banda para USB2 de alta velocidad o USB3.

Lo bueno del icoupler de AD es que pueden transferir energía para proporcionar energía al lado secundario (no mucha, pero aún así ...), y muchos de sus chips tienen, por ejemplo, RX, TX y una bobina de alimentación. Todo lo que tienes que hacer es agregar algunos condensadores. Entonces la espera valdrá la pena.

Corning utiliza verdaderas técnicas de fibra óptica con láseres VCSEL como emisores (siempre ha sido una cosa físicamente viable, aunque no ha sido una forma asequible hasta hace poco).

Al menos los cables ópticos USB 3.0 de Corning son asequibles, 110 $ para la versión de 10 m. Es posible que luego necesite un concentrador USB3 con alimentación para clientes que necesitan mucha energía (si necesita más de 200 mA más o menos, pero Corning dice que transferiría "sin energía"). Y es posible que tenga mala suerte (o poca confiabilidad) para algunas configuraciones, prepárese para volver atrás.

A veces obtenemos información de las patentes. Pero alguien tendría que pagar derechos de licencia por usarlo, si no el propietario. Encontré uno de silanna.com, empresa australiana de chips, ver patentes de google, WO2015104606A1. Ajá, su solución de alta velocidad USB2 basada en aislador capacitivo USB2 Silicon on Saphire está disponible: http://www.silanna.com/usb.html Así que esperamos una placa de prototipo con aislamiento DC-DC de alta eficiencia incluido, como afirman estar trabajando en ello.

Seguramente se podría argumentar que todos los láseres se desgastan, los condensadores tienen sus peligros, etc. Y esta es la razón por la cual AD usa el acoplamiento magnético, entre otras razones como el rechazo de riel común. Consulte http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequency-asked-questions/icoupler_faq.pdf. Allí debe intercambiar el espesor de aislamiento frente a los anchos de banda transmisibles. Esperemos a que se pongan al día con 5 GBit / s, lo que significaría que, con una fluctuación de fase aceptable, internamente tendrían que transmitir como 20 ... 30 Pulsos / s, si reutilizaran la técnica icoupler ...

Espero haber entregado más a los literales de la pregunta ...

Para mí, compraré el corning, pero agregaré mi propia fuente de alimentación aislada DC-DC para tener USB para alimentar mi descubrimiento analógico digilent 2, sin ningún enchufe adicional (de pared). Dado que se informa que algunos cables ópticos no son compatibles con USB2, quizás algún Hub USB pequeño (1 puerto) tendría que colocarse después de la conexión. Juntos, por ahora, esto hace que el enfoque sea torpe y un mosaico de 3 módulos.

Tuyo, Andi

Vale la pena señalar que, aunque la velocidad de datos de Gig Ethernet es mucho mayor que la de alta velocidad USB2, de hecho utiliza los 4 pares del cable cat5 para lograr esto. Además, utiliza un esquema de modulación con múltiples niveles (PAM5) para mantener la velocidad de señalización eléctrica en cada par aproximadamente igual a 100baseT, es decir, alrededor de 25Mhz, que los transformadores manejan bien.

Usb usa dos niveles solamente, así que aquí la velocidad de señalización es la misma que la velocidad de datos. La velocidad completa de 12 Mbits / s es la mitad de la velocidad de señalización de Gbit Ethernet y es alcanzable. La conversión de 480Mbits / seg con binario simple es una tarea para la óptica, o una solución más astuta, como paralelizar los datos usb y convertirlos a una velocidad menor. Esta no es mi idea, la vi propuesta hace algunas semanas.

En realidad, hay muchas configuraciones multimedia, tarjetas de sonido que tienen problemas donde hay conexiones de audio, datos y alimentación. Las configuraciones de escenario del Prof con tarjetas de sonido USB presentan problemas en los que varios teclados están conectados a la misma PC a través de USB, y también comparten audio y alimentación. Normalmente tenemos que aislar el audio, pero incluso así podemos generar ruido en los generadores de audio de los dispositivos a través de las conexiones USB y de alimentación. Espero que esto ayude a entender.