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Técnicas y soluciones para el aislamiento de la alimentación y los datos del USB

Por Doug Peters

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Introducido en 1996, el bus serie universal (USB) se ha convertido en el método principal para conectar periféricos a las PC. Con el aumento de la velocidad de transmisión de datos por USB en los últimos 24 años, que ha pasado de 1.5 megabits por segundo (Mbits/s) a más de 20 gigabits por segundo (Gbits/s), los fabricantes de equipos de prueba y medición han tomado nota y han salido al mercado con equipos de prueba basados en USB. Los aficionados también han aprovechado la ubicuidad del USB y han desarrollado muchas de sus propias herramientas de medición.

Sin embargo, existe un peligro potencial al utilizar o diseñar equipos basados en USB conectados al puerto USB de una PC. Mientras que un dispositivo bajo prueba (DUT) puede ser alimentado desde una fuente de alimentación flotante, una vez que se conecta a una PC con conexión a tierra, los bucles de tierra pueden entrar en juego. Como resultado, pueden generarse graves diferenciales de potencial de tierra que pueden causar daños en los circuitos o, lo que es peor, lesiones personales.

Para erradicar las conexiones de bucle de tierra, tanto las vías de alimentación como las de comunicación de datos deben estar aisladas galvánicamente de la toma de tierra USB de la PC. Existen varias opciones para aislar las comunicaciones de datos en función de la velocidad de transmisión y el protocolo. Además, se pueden desplegar múltiples estrategias de aislamiento, como la capacitiva, la óptica y la electromagnética.

Este artículo define el aislamiento galvánico antes de describir muchas de las diferentes tecnologías de aislamiento USB y los pros y contras de cada una. A continuación, presentará soluciones de aislamiento del mundo real de Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor y Analog Devices, y mostrará cómo aplicarlas de forma eficaz.

¿Qué es el aislamiento galvánico?

En esencia, el aislamiento galvánico impide el flujo o la conducción de la corriente entre dos o más circuitos eléctricos separados, pero permite el paso de energía y/o información entre ellos.

Para simplificar, este artículo se centrará en dos circuitos separados, denominados lado primario y lado secundario. El circuito primario está alimentado por USB y comparte el flujo de datos bidireccional con un PC anfitrión. La región que separa los circuitos se denomina barrera de aislamiento y se selecciona para soportar tensiones de ruptura de cientos a miles de voltios. Normalmente, el aire, el dióxido de silicio (SiO2), la poliimida u otro material no conductor separa los dos circuitos (Figura 1).

Diagrama de aislamiento galvánico entre la entrada USB del lado primario y del lado secundarioFigura 1: Se muestra un ejemplo de aislamiento galvánico entre la entrada USB del lado primario del circuito y el lado secundario. La barrera de aislamiento debe soportar tensiones de cientos a miles de voltios. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Transferencia de datos aislada

Como se ha definido anteriormente, el aislamiento galvánico permite la transferencia de datos o información entre los circuitos eléctricos separados. Pero, ¿cómo se puede conseguir esto sin algún tipo de material conductor entre los circuitos? Existen varias soluciones prácticas para este problema, como las tecnologías ópticas, capacitivas y electromagnéticas. Cada uno de estos enfoques tiene sus ventajas y desventajas, como se explica a continuación. Para el diseñador, la consideración de las tasas de datos, la descarga electrostática (ESD), las interferencias y los requisitos de energía entran en juego a la hora de decidir qué estrategia utilizar.

Óptico: Uno de los enfoques más conocidos para el aislamiento es el aislador óptico u optoaislador (u optoacoplador). El aislamiento se consigue mediante el uso de un diodo emisor de luz (LED) en el lado primario de la barrera de aislamiento y un transistor fotosensible en el lado secundario. El FOD817 de ON Semiconductor es un buen ejemplo de optoaislador (Figura 2). Los datos se transmiten mediante pulsos de luz sobre la barrera de aislamiento del LED, que son recibidos por el fototransistor en configuración de colector abierto. Cuando el LED está encendido, el fotodiodo genera un flujo de corriente en el circuito secundario.

Dado que la luz se utiliza para la transferencia de datos, el optoaislador no es susceptible de sufrir interferencias electromagnéticas (EMI). En el lado negativo, las tasas de transferencia de datos pueden ser lentas porque la tasa de datos está en función de la velocidad de conmutación del LED. Además, los optoaisladores tienden a tener una vida útil más corta en comparación con otras tecnologías debido a la degradación de los LED con el tiempo.

Esquema del optoaislador: el LED emite impulsos luminosos a través de la barrera de aislamientoFigura 2: Optoaislador - el LED emite pulsos de luz a través de la barrera de aislamiento que son recibidos por el fotodiodo y generan flujo de corriente en el circuito secundario. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El FOD817 es un dispositivo de un solo canal con una capacidad nominal de hasta 5 kilovoltios (kV) rms de CA durante un minuto. Consta de un LED infrarrojo (IR) de arseniuro de galio (GaAs) que acciona un fototransistor de silicio. Las aplicaciones pueden incluir reguladores de potencia y entradas lógicas digitales.

Aislamiento electromagnético: Este es quizás el enfoque tecnológico más antiguo para el aislamiento de circuitos. Los fundamentos de la inducción electromagnética se utilizan para transferir datos (y energía, como se verá más adelante) entre dos bobinas. Este enfoque ha sido mejorado significativamente con el tiempo por empresas como Analog Devices con su tecnología iCoupler. La tecnología iCoupler incorpora las bobinas del transformador dentro de un circuito integrado y utiliza un sustrato de poliamida para la barrera de aislamiento.

Los enfoques electromagnéticos del aislamiento son más susceptibles a las interferencias del campo magnético que los optoaisladores, y generan su propia EMI potencial que puede ser necesario abordar en la etapa de diseño del producto. Sin embargo, las ventajas son una mayor velocidad de datos, de 100 Mbits/s o más, y un bajo consumo de energía.

El ADuM1250 de Analog Devices es un ejemplo de este tipo de tecnología (Figura 3). Dirigido a aplicaciones bidireccionales de aislamiento de datos I2C, como las aplicaciones de intercambio en caliente, el dispositivo presenta una velocidad de datos de hasta 1 Mbit/s y está clasificado para soportar 2500 voltios rms durante un minuto según la norma UL 1577. Consume 2.8 miliamperios (mA) de corriente de entrada (IDD1) en el lado primario y 2.7 mA de corriente en el lado secundario (IDD2) a una tensión de alimentación de 5 voltios (VDD1 y VDD2). Tenga en cuenta que cada canal I2C (líneas de reloj y datos) en el ADuM1250 requiere dos transformadores integrados para lograr la bidireccionalidad.

Normalmente, los datos se transmiten entre las bobinas del transformador utilizando un esquema de transición de bordes. Se utilizan pulsos cortos de un nanosegundo para identificar los bordes de entrada y salida de la señal de datos. El hardware de codificación y descodificación también está integrado en el dispositivo.

Diagrama del aislador I2C dual ADuM1250 de Analog DevicesFigura 3: En el aislador I2C dual ADuM1250, cada línea I2C requiere dos transformadores distintos para lograr la transferencia bidireccional de datos y reloj. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Aislamiento capacitivo: El aislamiento capacitivo se consigue, como su nombre indica, mediante el uso de condensadores (Figura 4). Debido a las características de la tecnología capacitiva, la tensión continua es bloqueada por el condensador, mientras que la tensión alterna puede fluir libremente.

El diagrama del aislamiento capacitivo aprovecha la característica capacitiva de bloqueo de las señales de CC Figura 4: El aislamiento capacitivo aprovecha la característica capacitiva de bloquear las señales de CC y permitir que las señales de CA fluyan a través de la barrera de aislamiento. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Utilizando una portadora de alta frecuencia (AC) para la transferencia de datos a través del condensador, se puede pasar la información utilizando un esquema de modulación como el on-off keying (OOK). La presencia de una portadora de alta frecuencia podría constituir una salida digital de cero (LOW), y la ausencia de la portadora significaría un uno (HIGH) (Figura 5).

Diagrama de esquema de sincronización (OOK) que utiliza una señal portadora de alta frecuencia (AC)Figura 5: Un esquema de codificación on-off (OOK) utiliza la presencia o ausencia de una señal portadora de alta frecuencia (AC) suministrada a través de la barrera de aislamiento para transferir una señal de nivel lógico HIGH (alto) o LOW (bajo). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Al igual que el aislamiento magnético, las ventajas del aislamiento capacitivo son la alta velocidad de transferencia de datos (100 Mbits/s o más) y el bajo consumo de energía. Las desventajas incluyen una mayor susceptibilidad a la interferencia del campo eléctrico.

Un gran ejemplo de tecnología de aislamiento capacitivo es el aislador digital de cuatro canales ISO7742 de Texas Instruments, con un aislamiento de hasta 5000 voltios rms. El dispositivo se presenta en múltiples configuraciones según la dirección requerida del flujo de datos. Tiene una velocidad de datos de 100 Mbits/s y consume 1.5 mA por canal. Las aplicaciones de la ISO7742 incluyen equipos médicos, fuentes de alimentación y automatización industrial.

Aislamiento de la alimentación USB

Prestando mucha atención a las hojas de datos de los componentes de aislamiento, los diseñadores se darán cuenta rápidamente de que cada lado del componente de aislamiento requiere fuentes de alimentación separadas: una para el lado primario y otra para el secundario (VCC1 y VCC2), cada una con su respectiva referencia a tierra para mantener la barrera de aislamiento.

Si el diseño considerado tiene fuentes de alimentación separadas, USB de 5 voltios en el lado primario y una batería separada más tierra para alimentar el secundario, entonces todo es satisfactorio. Sin embargo, si el producto está diseñado para una sola fuente, por ejemplo, una entrada USB de 5 voltios, ¿cómo se suministra la tensión de aislamiento secundaria? La solución es un convertidor CC-CC (o conductor de transformador) y un transformador de aislamiento. El convertidor CC-CC puede utilizarse para aumentar o disminuir la tensión, mientras que el transformador proporciona el aislamiento galvánico.

En la Figura 6 se muestra un ejemplo de una fuente de alimentación aislada de este tipo, utilizando un controlador SN6505 de Texas Instruments combinado con un transformador de aislamiento 750315371 de Würth Elektronik (aislamiento de 2500 voltios rms). El uso del estándar USB de 5 voltios y 500 mA de entrada al SN6505 suele proporcionar energía más que suficiente para accionar los circuitos de aislamiento del lado secundario para la transferencia de datos, así como posiblemente otros circuitos como los sensores. Los dos diodos del lado del circuito secundario proporcionan la rectificación en la salida. Muchos diseños añaden un regulador de tensión de baja caída (LDO) en el secundario para una regulación de tensión más limpia.

Diagrama del driver del transformador SN6505 de Texas Instruments combinado con un transformador de aislamiento 750315371 de Würth ElektronikFigura 6: El controlador de transformador SN6505 de Texas Instruments, combinado con un transformador de aislamiento 750315371 de Würth Elektronik, proporciona una ruta de alimentación aislada para accionar el circuito del lado secundario. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un criterio adicional que puede ser importante para el diseñador: el espacio disponible en la placa de circuito impreso (PCB). El uso de componentes separados para el aislamiento de la energía y los datos puede consumir un valioso espacio en la placa. La buena noticia es que hay dispositivos que combinan el aislamiento de la energía y la transferencia de datos en un solo paquete. Un ejemplo de esta topología es el aislador digital de doble canal ADuM5240 de Analog Devices (Figura 7).

Diagrama del aislador digital de doble canal ADuM5240 de Analog DevicesFigura 7. El aislador digital de doble canal ADuM5240 de Analog Devices combina el aislamiento de potencia y de datos en un solo dispositivo para ahorrar espacio. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El ADuM5240 utiliza un aislamiento magnético basado en un transformador para la transmisión de energía y datos en un solo paquete para reducir los requisitos de área de la placa de PC. El ADuM5240 proporciona un aislamiento de 2500 voltios rms durante 1 minuto según la norma UL 1577, y una velocidad de datos de hasta 1 Mbit/s.

Aislamiento de datos USB ascendentes

Todos los ejemplos mostrados anteriormente suponen un aislamiento entre el circuito primario y el secundario. En los casos en los que ya existe un periférico diseñado sin hardware de aislamiento de datos, los diseñadores pueden realizar el aislamiento en la interfaz USB (es decir, en el cable). Esto hace que el aislamiento de los datos se realice en sentido ascendente entre el host USB y el periférico USB (Figura 8).

Diagrama de desplazamiento del aislamiento de datos USB hacia arriba, entre el host USB y el periférico USBFigura 8: Si ya existe un periférico diseñado sin hardware de aislamiento de datos, los diseñadores pueden seguir proporcionando protección moviendo el aislamiento de datos USB hacia arriba, entre el host USB y el periférico USB. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Para implementar este enfoque, los diseñadores pueden utilizar el ADuM4160 de Analog Device con un aislamiento nominal de 5000 voltios rms durante 1 minuto. Esta solución utiliza la misma tecnología de iCoupler comentada anteriormente, pero el aislamiento se dirige a la interfaz de datos USB (D+ y D-) (Figura 9). Otras aplicaciones para el ADum4160 incluyen concentradores USB aislados y dispositivos médicos.

Diagrama del ADuM4160 de Analog DevicesFigura 9: El ADuM4160 de Analog Devices proporciona una solución de aislamiento de la línea de datos USB (D+, D-) que puede ser útil cuando es necesario proporcionar aislamiento en la conexión del cable USB host a periférico. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Consideraciones de diseño para el aislamiento

¿Cómo elige un diseñador la mejor tecnología de aislamiento? Como se ha mencionado anteriormente, hay múltiples factores que entran en juego a la hora de seleccionar la tecnología adecuada para el trabajo en cuestión. El cuadro 1 muestra algunos de esos criterios de diseño en los diferentes tipos de tecnologías de aislamiento. Al igual que con cualquier diseño, hay que tener muy en cuenta los componentes que se utilizan. No hay nada que sustituya a la revisión exhaustiva de las hojas de datos y a la creación de prototipos con los componentes seleccionados.

Tabla de factores clave a tener en cuenta a la hora de elegir un enfoque de aislamientoTabla 1: Hay algunos factores clave a tener en cuenta a la hora de elegir un enfoque de aislamiento, pero es fundamental que los diseñadores estudien detenidamente la hoja de datos y hagan un prototipo con los componentes seleccionados. (Fuente de datos: Digi-Key Electronics)

Además de los definidos en la Tabla 1, hay que tener en cuenta otros factores a la hora de desarrollar periféricos aislados basados en USB. Por ejemplo, hay que calcular el presupuesto total de energía necesario para el circuito secundario. Debe transferirse suficiente energía desde el lado primario al circuito secundario aislado para suministrar toda la energía necesaria no sólo para los componentes de aislamiento, sino también para cualquier otro dispositivo como sensores, LED y componentes lógicos.

Además, como se ha mencionado anteriormente, si se utiliza una solución de aislamiento electromagnético, se debe tener en cuenta la posible EMI generada por el transformador o transformadores en las pruebas de emisiones y/o el impacto de la EMI en otros circuitos.

Conclusión:

El USB sigue creciendo en cuanto a velocidad de transferencia de datos y capacidad de suministro de energía. Sin embargo, cuando se diseñan productos con interfaz de alimentación y/o datos USB, es prudente tener en cuenta el aislamiento galvánico de los circuitos de datos y alimentación.

Para lograr el aislamiento galvánico, los diseñadores pueden elegir entre enfoques ópticos, capacitivos y electromagnéticos después de tener en cuenta múltiples criterios, como la velocidad de transferencia de datos y la EMI, así como los requisitos de energía y espacio en la placa. Independientemente de cuál se elija, hay muchas soluciones disponibles para ayudar a los diseñadores a garantizar tanto la integridad del circuito como la seguridad del diseñador y del usuario final.

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Acerca de este autor

Doug Peters

Doug Peters is the Founder of Bluebird Labs, LLC in Eden Prairie, MN. He has a B.S. degree in Electrical Engineering from Northeastern University in Boston, MA and an M.S. certificate in Applied Statistics, from Penn State University. He worked for 10 years at GE in Telematics and worked at NeXT computer as a systems engineer many, many years ago. You can reach him at dpeters@bluebird-labs.com.

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