L'isolation galvanique de l'USB haut débit est-elle impossible?

J'ai un isolateur USB qui fournit une isolation galvanique d'un périphérique USB de mon PC, mais ne fonctionne que pour les ports USB à faible vitesse et à pleine vitesse. Je ne trouve pas d'isolateurs électriques alternatifs qui fournissent une connexion haute vitesse; Les extensions de fibre USB , cependant, sont proposées avec un débit haute vitesse et devraient fournir à la fois une isolation galvanique et une bande passante élevée, bien que peut-être à un coût plus élevé?

Existe-t-il une limitation pratique ou physique à la bande passante d'un isolateur galvanique pour USB? Les lois réelles de la physique sont-elles impliquées, ou s'agit-il simplement d'un défi technique ou d'un problème de coût?

Éditer

Permettez-moi de reformuler ma propre question:

Les isolateurs USB sans fibre coûtent environ 100 € mais sont limités à l'USB pleine vitesse. Les isolateurs USB haute vitesse n'existent pas, donc je suppose qu'ils ne peuvent pas être fabriqués pour 100 €, mais coûteraient beaucoup plus cher (1000 €? 10000 €). À un tel prix, il n'y a pas de marché, il n'y a donc pas d'isolateurs USB haute vitesse disponibles.

La question est donc la suivante: qu'est-ce qui rend un isolateur USB haute vitesse tellement plus cher qu'un isolateur USB pleine vitesse? Y a-t-il une limitation physique à l'approche utilisée pour les appareils à pleine vitesse qui la rend inapplicable et / ou coûteuse pour les appareils à haute vitesse?

Il y a certainement des lois de marketing en jeu. :-)

Gigabit Ethernet et 10G-Ethernet ont une isolation galvanique. Donc, évidemment, c'est possible et fait régulièrement avec la technologie d'aujourd'hui.

Un prolongateur USB à fibre optique fonctionne essentiellement comme un opto-coupleur, sauf que la source de lumière et le récepteur de lumière sont sur des puces distinctes. La combinaison des fonctions d'un extenseur de fibre en un seul boîtier devrait être moins chère, pas plus chère. L'utilisation d'un couplage magnétique ou capacitif au lieu d'un couplage optique devrait à nouveau être moins coûteuse.

L'USB est normalement utilisé pour les connexions de données à courte distance (jusqu'à 5 m) où il n'y a pas de différences significatives de potentiel de terre et où l'isolation galvanique n'est pas nécessaire.

Il existe quelques applications, par exemple médicales ou à faible bruit électrique, qui nécessitent ou bénéficient d'une isolation galvanique. Toutes ces applications sont spécialisées et les solutions d'extension de fibre existantes couvrent entièrement l'exigence d'isolation galvanique. De plus, les solutions sans fil comme Bluetooth, Zigbee, etc. satisfont également à l'exigence d'isolation (à faible vitesse). En conclusion, il n'y a probablement pas beaucoup de niche de marché pour les isolateurs USB.

FWIW, j'ai utilisé un prolongateur de fibre il y a quelques années lors des travaux de développement d'un sous-système d'alimentation haute tension. Je n'avais besoin que de l'isolement, la fibre est restée enroulée sur le banc.

Merci pour les liens.

Edit: En ce qui concerne la partie de la question "Les lois réelles de la physique sont-elles impliquées, ..." Non, il existe de nombreuses liaisons de communication plus rapides et isolées galvaniquement telles que Gigabit Ethernet, 10G Ethernet et même des solutions sans fil.

"... ou s'agit-il simplement d'un défi technique ou d'un problème de coût?" Oui, à partir de 2018, le défi d'ingénierie est inférieur à ce qu'il aurait été il y a quelques années, mais ce serait quand même un effort important. Mais qui financerait le développement de telles solutions si la demande apparaît très limitée?

Il existe des puces de répéteur isolées prêtes à l'emploi pour le taux de transfert USB de 12 Mbps : ADuM4160 par Analog Devices ou LTM2884 par Linear Technology . Étonnamment pour moi, les deux contiennent des coupleurs inductifs = des transformateurs de signaux miniatures sur puce comme éléments de couplage, interfacés avec le monde extérieur par des émetteurs-récepteurs tamponnés au silicium (CMOS?). Je me demande pourquoi l'isolement n'est pas optique de nos jours ...

Notez que 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e ou RS422, utilisent tous une paire symétrique dans les deux sens, comprenant ensemble une liaison duplex intégral à 4 fils. Gigabit et Ethernet 10 Go ne fonctionnent de cette façon que sur la fibre optique, je suppose.

En revanche, l'USB basse / pleine / haute vitesse utilise une seule paire symétrique, en mode semi-duplex, où l'hôte et le périphérique parlent à tour de rôle sur le bus et doivent tri-état le pilote de ligne lorsqu'ils ont terminé parler, pour donner une chance à l'autre partie (quelque peu similaire à RS485, bien que de nombreux détails électriques et de cadrage soient différents).

Tout isolateur galvanique, y compris les puces mentionnées ci-dessus, doit respecter ce style de communication à commutation de direction semi-duplex. Un trafo de signal unique devrait théoriquement fonctionner à 12 Mbps, à l'exception des résistances de polarisation DC, et le cadrage n'est peut-être pas "exempt de décalage DC en moyenne" non plus, ce qui rend difficile l'utilisation d'un trafo passif. Atténuation de côté.

C'est peut-être précisément ce besoin pour l'isolateur actif de "tourner la table" assez rapidement, pour détecter la fin de la transmission en premier lieu, qui rend impossible la mise en œuvre d'un "stupide répéteur USB" à 480 Mbps, même dans le silicium d'aujourd'hui. Il y a soi-disant d'autres changements dans l'interface électrique pour l'USB 2.0 haute vitesse (signalisation à courant constant) qui peut être un autre facteur pour lequel l'USB haute vitesse ne se prête pas facilement à ce type de commutation RX / TX de style 485 dans un répétiteur stupide.

Notez qu'il existe une approche alternative au problème de "commutation de direction": plutôt que de détecter un high-Z sur la ligne de manière analogique, ce qui entraîne une latence inhérente (retard), l'isolateur devrait comprendre le protocole USB, juste comme le fait un concentrateur USB - pour qu'il sache quand s'attendre à la fin de la trame en cours de réception. Et éventuellement, il tamponnerait des trames entières, avant de les relayer de l'autre côté - tout comme le fait un concentrateur USB. (Ou le fait-il?) En fait, l'isolateur devrait devenir un concentrateur USB, avec un espace d'isolement quelque part là-dedans.

Il est quelque peu surprenant pour moi qu'il n'y ait pas de répéteurs isolés de type hub. Peut-être parce que ATMEL et ses amis font des hubs, et Analog ou Linear (ou Avago?) Font des isolateurs, mais les deux gangs ne se mélangent pas ...

Le problème du transport du débit binaire élevé au-dessus d'un intervalle d'isolement ne devrait pas être si difficile - pourtant, même cette zone semble étonnamment "sous-développée", ou semble souffrir d'un écart quelconque. Ethernet 10 Gbit sur fibre est là depuis années, avec SERDES (train de bits) bande de base au niveau du bit, transmis par un "laser" (au moins un VCSEL) et reçu par une photodiode. Pourtant, les optocoupleurs DIL-packaged ont à peine atteint 50 Mbps ou plus. D'où vient l'écart? Eh bien, il me semble que les gars qui fabriquent les opto-coupleurs DIL s'appuient sur des sources LED et des récepteurs photo-transistors relativement lents. Alors que les gars qui fabriquent des fibres rendent leurs VCSELS et photodiodes adaptés au couplage avec une fibre - avec un courant de polarisation réglable, avec une diode de rétroaction locale attachée au VCSEL etc. Apparemment, personne n'a eu l'idée de construire un photocoupleur électrique-électrique à partir de ces pièces de haute qualité. Notez que le truc gigabit couplé à la fibre utilise généralement le couplage AC sur les interfaces électriques, mais cela ne devrait pas être un gros problème,

Peut-être que c'est juste une vision conservatrice de la vieille école de l'industrie, de ma part. Peut-être que la technologie gigabit à large bande passante est déjà passée à une nouvelle ère, où vous ne pouvez jouer qu'en termes de bus et d'interfaces normalisés, et il n'y a aucun intérêt à créer des composants discrets capables de transférer une stupide logique simple 1/0 sur un seul signal . Peut-être que c'est juste ma façon de penser aux dinosaures que vous pouvez toujours pirater des choses ensemble comme ça. L'ère des GHz modernes semble «élever la barre» contre les pirates occasionnels avec un fer à souder. Le piratage électronique est devenu une question de laboratoires fermés avec des équipements coûteux, uniquement disponibles pour les grands fournisseurs leaders de l'industrie. C'est un club fermé. À partir de maintenant, tout ce que vous pouvez pirater est un logiciel, ou peut-être des trucs d'antenne triviaux.

Les transformateurs de signaux ne sont apparemment bons que dans des centaines de MHz faibles. Le 1000Base-TX et en particulier le 10GBase-TX prennent grand soin de la modulation astucieuse pour compresser les données en plusieurs "bits par symbole", sur des voies équilibrées en duplex intégral par paire, au prix d'un traitement DSP énergivore pour toute la modulation / annulation d'écho local / pré-égalisation ... juste pour s'adapter à l'intérieur peut-être 200 MHz de bande passante disponible via les "magnétiques" (transformateurs de signaux). Si vous êtes dans la technologie des antennes TV, vous avez peut-être remarqué que dans la plage supérieure, disons 500-800 MHz et plus, les isolateurs galvaniques sont strictement capacitifs. Peu importe le matériau de base que vous choisissez, les transformateurs inductifs ne sont tout simplement pas bons à ces fréquences.

Au final ... tu sais quoi? USB3 semble utiliser des lignes de transmission à paires équilibrées distinctes: une paire pour TX, une paire pour RX. C'est comme rentrer à la maison.

Désolé.

Répondre littéralement: non, de nos jours il n'y a plus de limitation.

Les solutions encore pratiques <400 $ sont rares. C'est encore quelque chose de physique ou plutôt de conception électronique, pas seulement de marketing et de production en volume.

Mais il y a quelques années, VCSEL était trop cher, et la parallélisation augmente également le coût de l'isolation et a des problèmes de protocole inhérents en raison d'un retard accru (nous étions heureux lorsque l'USB est passé d'un bus série inutile à quelque chose avec une certaine fiabilité).

Même en 2015/16, le débit binaire des CI d'isolateurs numériques disponibles dans le commerce est limité, à 150 Mbit / s, selon mes conclusions. Je n'ai trouvé qu'une seule entreprise, voir ci-dessous, proposant une puce USB2 480MBit / s.

Il suffit de regarder le principe sous-jacent de l'iCoupler d'AD. Ils utilisent des trains d'impulsions avec des largeurs d'impulsion de 1 ns, et reconstruisent les impulsions originales par cette approche, bien, de numérisation, avec un débit binaire transférable jusqu'à 150 Mbit / s, ce qui n'est pas assez de bandes passantes pour USB2 haut débit ou USB3.

La bonne chose de l'icoupleur d'AD est qu'il est capable de transférer de l'énergie pour fournir du courant secondaire (pas beaucoup, mais quand même ...), et beaucoup de leurs puces ont par exemple RX, TX et une bobine d'alimentation. Tout ce que vous avez à faire est d'ajouter des condensateurs. L'attente en vaut donc la peine.

Corning utilise de véritables techniques de fibre optique avec des lasers VCSEL en tant qu'émetteurs (toujours une chose physiquement viable mais aucun moyen abordable d'aller jusqu'à récemment).

Les câbles optiques USB3.0 au moins sont abordables, 110 $ pour la version 10m. Vous aurez peut-être besoin d'un concentrateur USB3 alimenté par la suite pour les clients énergivores (si vous avez besoin de plus de 200 mA ou plus, mais le couplage indique qu'il ne transfèrerait "aucune alimentation"). Et vous risquez d'avoir de la malchance (ou une faible fiabilité) pour certaines configurations, préparez-vous à la désactiver.

Parfois, nous obtenons des informations de brevets. Mais quelqu'un devrait payer des frais de licence pour l'utiliser, sinon le propriétaire. J'en ai trouvé un par silanna.com, société Australian Chip, voir les brevets google, WO2015104606A1. Aha, leur solution USB2 basée sur un isolateur capacitif USB2 Silicon on Saphire est sortie: http://www.silanna.com/usb.html Nous attendons donc une carte de protypage avec une isolation DC-DC haute efficacité incluse, comme ils prétendent travailler.

Vous pourriez sûrement argumenter que tous les lasers s'usent, que les condensateurs ont leurs pièges, etc. Voir http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Là, vous devez faire un compromis entre l'épaisseur d'isolement et les bandes passantes transmissibles. Attendons qu'ils rattrapent 5 Go / s, ce qui signifierait, pour avoir une gigue acceptable, en interne qu'ils devraient transmettre comme 20..30Gpuls / s, s'ils réutilisaient la technique de l'icoupleur ...

J'espère que j'ai maintenant livré plus aux littéraux de la question ...

Pour moi, j'achèterai le corning, mais j'ajouterai mon propre bloc d'alimentation isolé DC-DC pour avoir USB pour alimenter ma découverte analogique digilent 2, sans aucune prise (murale) supplémentaire. Étant donné que certains câbles optiques ne seraient pas compatibles USB2, il faudrait peut-être placer un petit concentrateur USB (1 port) après le corning. Ensemble, pour l'instant, cela rend l'approche maladroite et un patchwork de 3 modules.

Bien à vous, Andi

Il convient de noter que bien que le débit de données de Gig Ethernet soit beaucoup plus élevé que celui de l'USB2 haute vitesse, il utilise en fait les 4 paires du câble cat5 pour y parvenir. En outre, il utilise un schéma de modulation à plusieurs niveaux (PAM5) pour maintenir le taux de signalisation électrique sur chaque paire à peu près le même que 100baseT, à savoir environ 25 MHz, que les transformateurs gèrent bien.

L'USB n'utilise que le double niveau, donc ici le débit de signalisation est le même que le débit de données. Le débit complet de 12 Mbits / s est la moitié du débit de signalisation d'Ethernet Gbit et est accessible. La conversion de 480 Mbits / s avec un simple binaire est une tâche pour l'optique, ou une solution plus astucieuse telle que la parallélisation des données USB et leur conversion à un taux inférieur. Ce n'est pas mon idée, .. je l'ai vu il y a quelques semaines.

Il existe en fait de nombreuses configurations multimédias, des cartes son qui ont des problèmes où il y a à la fois des connexions audio, de données et d'alimentation. Les configurations de scène Prof 'avec des cartes son USB présentent des problèmes lorsque plusieurs claviers sont connectés au même PC via USB et partagent également des motifs audio et d'alimentation. Normalement, nous devons isoler l'audio, mais même dans ce cas, il peut y avoir du bruit sur les propres générateurs audio des appareils via les connexions USB et d'alimentation. J'espère que cela aide à comprendre.