Alex_EXE

USB интерфейс один из самых популярных на сегодняшний день, он позволяет подключать к компьютеру или другому устройству с поддержкой USB Host огромное количество различных устройств. За частную такое подключение просто и безопасно. Но в редких случаях, когда мы будем подключать что-то экспериментальной, неисправное или расположенное на большом расстоянии — это может привести к не определению устройства, сбоям в работе и выходу USB порта или всего компьютера и подключаемого устройства из строя. Для того что бы обезопасить подключение стоит воспользоваться гальванической изоляцией.

Гальваноизолятор USB на ADUM3160

В статье рассмотрен простой USB гальванической изолятор построенный на базе микросхемы ADUM3160 и DC-DC изолятора B0505.

Технические характеристики:

Сфера применение:

Гальваническая изоляция компьютера или другого устройства с USB Host от подключаемого устройства.

• Подключаемое устройство может располагаться рядом с источником сильного уровне помех или иметь внутренний источник помех.
• Между устройствами вдоль линии передачи данных может располагаться сильный источник помех.
• Подключаемое устройство может быть экспериментальным или неисправным и его небезопасно напрямую подключать к ПК.
• Подключаемое устройство может иметь источник питания без гальванической изоляции с сетью питания 220В.
• Подключаемые источники имеют свои источники питания и они не объединены ни общим проводом, ни заземлением, из-за чего возможно протекание больших токов через общий провод по USB кабелю.

Примеры подключаемых устройств:

• Приводы коллекторных, бесколлекторных драйверов двигателей различной мощности;
• Тесла или любой другой источник искровых помех;
• Источники питания и электронные/испытательные нагрузки без гальванической изоляции интерфейса передачи данных;
• Подключение к электроники автомобиля;
• Печи;
• 3-х фазное или иное силовое оборудования.

В некоторых случаях достаточно будет, что бы компьютер питался от автономного источника питания (например ноутбук питаемый от аккумулятора), что бы исключить протекания больших токов через общий провод и сеть. Но если подключаемое устройство является или находится в источнике помех то лучше или отказаться от применения проводного подключения и перейти на оптический канал или беспроводной, или применить гальваническую изоляцию. Но не стоит забывать про максимальную гальваноизоляцию данного изолятор в 1500В и если риски выше, то перейти на изоляторы более высокого класса защиты или отказаться от проводного подключения.

Схема устройства

Принципиальная схема

Устройство построено на микросхеме гальванического изолятора USB ADUM3160 (U2) с гальваноизоляцие в 2.5КВ, можно применить ADUM4160 с изоляцией в 5КВ, но его применение не целесообразно, т.к. максимальная изоляция ограничена применяемым DC-DC преобразователем U3 1.5КВ. DC-DC гальваноизолированный преобразователь U3 B0505S-2WR2 с входным и выходным напряжением 5В, мощностью 2Вт, обеспечивает выходной ток до 350мА без подключения дополнительного источника питания. Для обеспечения минимальной нагрузки U3 установлен резистор R5 на 470Ом мощностью 0,25Вт в корпусе 1206, который обеспечивает постоянное минимальное потребление тока около 10мА. Дополнительная нагрузка необходима, что бы напряжение на выходе U3 без подключенного потребителя было в районе 5В. Входной и выходной USB разъёмы имеют защиту от статических разрядов на защитных сборках U1 и U4 USBLC6-4SC6 и резисторах R2, R3, R7, R8 по 22 Ом в корпусе 0603. Вход оснащен термопредохранителем F1 MF-MSMF050 в корпусе 1812 на 500мА. По входу питания от USB стоит фильтр на L1 индуктивностью 1-4,7мкГн и током не менее 0,7А в корпусе 1812 и C2 ёмкостью 10-22мкФ напряжением не менее 10В в корпусе типоразмера A. По выходу фильтр L2 индуктивностью 1-4,7мкГн током не менее 1,5А в корпусе 1812 и конденсаторы C6, C8 ёмкостью 10-22мкФ напряжением 16В в корпусе типоразмера A. Светодиод LED1 зеленый 3мм (прозрачная линза, если передняя панель прикрыта наклейкой; матовый, если ни чем не прикрыт) обеспечивает индикацию работы изолятора и его угасание так же свидетельствует о нехватке тока встроенного DC-DC изолятора. Резистор R6 470Ом-1К типоразмера 0603 ограничивает ток протекающий через светодиод LED1. Блокировочные конденсаторы C1, C3, C5, C6 0.1мкФ типоразмера 0603 установлены по входам питания микросхемы U2. Блокировочный конденсатор C4 0,1мкФ 0603 установлен по выходу DC-DC преобразователя U3. Возможна установка выводного резистора R4 сопротивлением 4.7-10МОм, для выравнивания земляного потенциала гальванически развязанных цепей, чтобы не допустить пробоя гальваноизолятора. На входе установлен SMD miniUSB разъём X1, по выходу компактное укороченное SMD USB гнездо X2, точной марки этих разъёмов нет, они закупались в китайских интернет магазинах, ищите по фото. Если подскажите точную марку — буду благодарен.

Разъём X3 для дополнительного питания DS-313 1.3х4.2мм. На его роль был выбран не распространённый разъём 5.5х2.1мм (или 5.5х2.5), из-за его больших размеров, который не поместиться в выбранный корпус и, что бы было сложнее по ошибке подключить блок питания на другое напряжение. Отдал предпочтение штыревому разъёму питания вместо USB, т.к. они содержат переключающий контакт при подключении штекера. Использование диодов для объединения источников питания приведет к падению напряжения на них, добавление дополнительной логики к усложнению схемотехники и увеличению количества компонентов. Переключающий контакт разъёма переключает минусовой провод от встроенного DC-DC преобразователя на внешний источник питания. Если на плату не устанавливать разъём доп. питания X3 или DC-DC преобразователь U3, то необходимо каплей олова замкнуть перемычку J1.

Цепи GND11 и GND22 — корпуса USB разъёмов. Резисторы R1 и R9 позволяют объединить общие провода с корпусами разъёмов.

Компонент	Позиционное обознаение	Корпус	Количество
Микросхемы
Adum3160	U2	SOIC16	1
Полупроводники
USBLC6-4SC6	U1, U4	SOT23-6	2
DC-DC преобразователи
B0505S-2WR2	U3		1
Индикация
USB Power	LED1	LED 3mm	1
Резисторы
0	R1, R9	1206	2
22	R2, R3, R7, R8	0603	4
470	R5	1206	1
1K	R6	0603	1
4.7M	R4	выводной 0.25W	1
Конденсаторы
0.1uF 25V	C1, C3, C4, C5, C7	0603	5
10uF 10V	C2	Tantal A	1
10uF 16V	C6, C8	Tantal A	2
Индуктивности
VLCF4028T-2R2N1R9-2	L1, L2	1812	2
Установочные
MF-MSMF050	F1	1812	1
Соединители
miniUSB	X1	miniUSB	1
USB-AF-SMD-10X14.5H7.0	X2	USB-AF-SMD-10X14.5H7.0	1
DS-313, Гнездо питания 1,3х4,2мм на плату	X3	ds313	1

Перечень компонентов

Сборочный рисунок

Схема в статье отличается от представленных на фото. Был штатно добавлен конденсатор C8 и перенумерованы конденсаторы.

Печатная плата проектировалась под корпус BOX-KA08 (65,5х45,5х25мм). В корпусе были прорезаны пазы для разъёмов. Перед сборкой сверху на плату на крепежные отверстия были добавлены бумажные 3мм шайбы (видны на 1 фото) для более надежной фиксации платы в корпусе. Для надежности DC-DC преобразователь был по краям зафиксирован 704 герметиком.

USB гальваноизолятор и корпус KA-08

Микросхема Adum3160 сконфигурирована (выводы SPU и SPD подключены к + питания) в Full Speed режиме, который обеспечивает пропускную способность в 12Мбит/с. В Windows при копировании данных с/на флешку это примерно до 1МБ/с (Один Мега Байт/секунду). Данной пропускной способности не хватит для комфортного копирования большого объема данных и подключения высокоскоростного оборудования. Но вполне хватит для различных USB-UART преобразователей, устройств с эмуляцией COM порта, программаторов, конфигурационных проводов и другого низкоскоростного оборудования.

Дополнительное питание

Тесты

Компьютер гальваноизолятор ни как не видит, он для него полностью прозрачен.

Из проверенного оборудования: USB мышь, USB-UART на cp2102, ft232, pl2302, USB-Rs485 преобразователь на cp2102 и на ch340, ST-Link, stm32 с эмуляцией COM порта, Saleae Logic (клон) (8 каналов до 500КГц, с большей частотой работать отказался), картридер с micro SD картой, флешки, USB HUB с картридером и micro SD картой, плюс подключенными флешкой и cp2102. USB SSD и USB HDD, оба проверялись с дополнительным питанием от повербанка, без него не запустились.

Подключена флешка

Мегомметра у меня нет. Поэтому ограничился измерениями сопротивления обычным мультиметром, а точнее UT61E и RLC метром XJW01. На гальваноизоляторе объединил все линии у USB разъемов: GND, VDD, D+, D-.
UT61E: сопротивление ожидаемо бесконечность, разность емкости с подключенными и отключенными щупами ~20пФ.
XJW01: емкость 21пФ.

Измеренная емкость

Был проведен ещё тест с искровой нагрузкой. К планшету, отключенному от сети, и подключенным к нему только одним проводом — USB с гальваноизолятором был подключен драйвер коллекторного двигателя. Драйвер изначально планировал запитать от Li-Pol аккумуляторов, но в целях безопасности запитал от лабораторного БП с ограничением тока питающегося от сети. Питание драйвера 26В. К драйверу подключен подгоревший 24В коллекторный двигатель с червячным редуктором, который работает с трудом, кушает в несколько раз больше тока чем ему положено, периодически клинит и у него сильно искрят щётки. У двигателя отсутствовали фильтр. Для справки: с фильтром из 3-х конденсаторов и 2-х индуктивностей ситуация с помехами обстоит очень хорошая. На драйвере выставлялась скважность 24%. Осциллограф был подключен через развязывающий трансформатор 220В:220В.

Собранный стенд

Во время тестов стенд был разложен на полу, что бы отдалить двигатель от USB провода идущего к планшету, для минимизации наводок от искр на него.

Пульсации со стороны двигателя. Слева VDD, справа D+

Пульсации со стороны ПК. Слева VDD, справа D+

На осциллограммах можно заметить, что у осциллографа плавает ноль — это дефект прибора.

Ослабление пульсаций по линии питания USB было зафиксировано примерно в 7 раз, по линии данных D+ в 2 раза. По линии данных было сложно зафиксировать «хорошие» скачки, т.к. по ним пытались передаваться данные. Так же отмечу, что искровая помеха хорошо передаётся как по проводу, так и по воздуху, плюс она неплохо наводится с проводов горячей стороны на остальные проводники.

Изготовление платы в домашних условиях

Заготовка для ЛУТ (не отзеркалированная)

Если кто-то захочет изготовить плату в домашних условиях, например с помощью технологии ЛУТ. То в прикрепленном архиве есть PDF файл (отзеркалированный и без водяных знаков) адаптированной для ЛУТ печатной платы с 2-мя сторонами. Если не устанавливать на плату разъём X3, то её можно сделать односторонней с 4-мя перемычками.

Скачать файлы проекта

Содержимое архива:

Параметры gerber файла: единицы измерения мм, точность 3:3, удалены незначащие нули вначале числа, привязка — абсолютная.