Гальваническая развязка высокоскоростного USB невозможна?

У меня есть USB-изолятор, который обеспечивает гальваническую развязку USB-устройства от моего ПК, но работает только для низкоскоростных и полноскоростных USB. Я не могу найти никаких альтернативных электрических изоляторов, которые обеспечивают высокоскоростное соединение; Однако оптоволоконные удлинители USB предлагаются с высокоскоростной пропускной способностью и должны обеспечивать как гальваническую развязку, так и высокую пропускную способность, хотя, возможно, с более высокой стоимостью?

Есть ли практическое или физическое ограничение пропускной способности гальванического изолятора для USB? Вовлечены ли действительные законы физики, или это просто инженерная проблема или проблема стоимости?

редактировать

Позвольте мне перефразировать мой собственный вопрос:

Неволоконные USB-изоляторы стоят около 100 евро, но ограничены высокоскоростным USB. Высокоскоростных изоляторов USB не существует, поэтому я предполагаю, что они не могут быть изготовлены за 100 евро, но будут стоить значительно дороже (от 1000 до 10000 евро). При такой цене рынка нет, поэтому нет высокоскоростных USB-изоляторов.

Таким образом, возникает вопрос: что делает высокоскоростной USB-изолятор намного дороже, чем полноскоростной USB-изолятор? Есть ли физическое ограничение в подходе, используемом для полноскоростных устройств, что делает его неприменимым и / или непомерно дорогим для высокоскоростных устройств?

Есть определенные законы маркетинга. :-)

Гигабитный Ethernet и 10G-Ethernet имеют гальваническую развязку. Таким образом, очевидно, что это возможно и обычно делается с современными технологиями.

Волоконно-оптический USB-удлинитель в основном работает как оптопара, за исключением того, что источник света и приемник света имеют отдельные микросхемы. Объединение функций удлинителя волокна в одну упаковку должно быть дешевле, а не дороже. Использование магнитной или емкостной связи вместо оптической связи снова должно быть дешевле.

Обычно USB используется для передачи данных на короткие расстояния (до 5 м), когда значительных различий в потенциале земли нет и гальваническая развязка не требуется.

Есть несколько применений, например, медицинские или с низким электрическим шумом, которые требуют или получают выгоду от гальванической развязки. Все эти приложения являются специализированными, и существующие решения по наращиванию волокон полностью соответствуют требованиям гальванической развязки. Кроме того, беспроводные решения, такие как Bluetooth, Zigbee и т. Д., Также удовлетворяют требованиям изоляции (на малых скоростях). В заключение можно сказать, что рыночная ниша для USB-изоляторов, вероятно, невелика.

Кстати, я использовал удлинитель волокна несколько лет назад во время разработки подсистемы высоковольтного источника питания. Мне нужна была только изоляция, волокно оставалось намотанным на скамейку.

Спасибо за ссылки.

Изменить: Что касается части вопроса «Актуальны ли законы физики ...» Нет, есть много более быстрых, гальванически развязанных каналов связи, таких как Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и даже беспроводные решения.

"... или это просто инженерный вызов или вопрос стоимости?" Да, с 2018 года инженерные задачи стали меньше, чем это было бы несколько лет назад, но все равно потребовали бы значительных усилий. Но кто будет финансировать разработку таких решений, если спрос окажется очень ограниченным?

Есть готовые изолированные чипы повторителя для скорости передачи USB 12 Мбит / с: ADuM4160 от Analog Devices или LTM2884 от Linear Technology . Удивительно для меня, но оба содержат индуктивную связь = миниатюрные внутрипроцессорные сигнальные трансформаторы в качестве элементов связи, связанных с внешним миром с помощью кремниевых (CMOS?) Буферных приемопередатчиков. Меня удивляет, почему изоляция не является оптической в ​​наши дни ...

Обратите внимание, что 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e или RS422, все используют сбалансированную пару в любом направлении, вместе образуя 4-х проводную дуплексную линию. Гигабит и 10Gb Ethernet работают таким образом только на волоконной оптике.

Напротив, USB низкий / полный / высокоскоростной использует одну сбалансированную пару в полудуплексном режиме, когда хост и устройство по очереди разговаривают по шине и должны завершить состояние драйвера линии, когда они закончили разговор, чтобы дать шанс другой стороне (чем-то похожим на RS485, хотя многие электрические и кадрирующие детали разные).

Любой гальванический изолятор, включая упомянутые выше микросхемы, должен соответствовать этому полудуплексному стилю связи с переключением направления. Теоретически, один сигнальный канал должен работать на скорости 12 Мбит / с, за исключением резисторов смещения постоянного тока, и кадрирование, возможно, также не "свободно от смещения постоянного тока", что затрудняет использование только пассивного трафика. Затухание в стороне.

Возможно, именно эта потребность в активном изоляторе достаточно быстро «развернуть стол», чтобы в первую очередь определить конец передачи, что делает нецелесообразным внедрение «тупого USB-повторителя» со скоростью 480 Мбит / с даже в современном кремнии. Предположительно, есть некоторые другие изменения в электрическом интерфейсе для высокоскоростной USB 2.0 (сигнализация постоянного тока), что может быть еще одним фактором, почему высокоскоростной USB не поддается такому переключению RX / TX в стиле 485 в тупой репитер.

Обратите внимание, что существует альтернативный подход к проблеме «переключения направления»: вместо того, чтобы обнаруживать высокий Z на линии аналоговым способом, который влечет за собой некоторую внутреннюю задержку (задержку), изолятор должен понимать протокол USB, просто как это делает концентратор USB - чтобы он знал, когда ожидать окончания получаемого кадра. И, возможно, он будет буферизовать целые кадры, прежде чем передавать их на другую сторону - как это делает концентратор USB. (Или это так?) По сути, изолятор должен был бы стать концентратором USB, с изоляционным зазором где-то там.

Меня несколько удивляет, что нет изолированных ретрансляторов в стиле хабов. Возможно, потому что ATMEL и друзья делают концентраторы, а Analog или Linear (или Avago?) Делают изоляторы, но две банды не смешиваются ...

Проблема переноса высокой скорости передачи битов через разрыв изоляции не должна быть такой сложной, хотя даже эта область кажется удивительно «недостаточно развитой» или, похоже, испытывает некоторый разрыв. 10Gb Ethernet по оптоволокну существует уже много летс битовой последовательностью SERDES (битовый поток), передаваемой «лазером» (по меньшей мере, VCSEL) и принимаемой фотодиодом. Тем не менее, DIL-упакованные оптопары едва достигли скорости 50 Мбит / с или около того. Откуда берется разрыв? Ну, мне кажется, что парни, создающие оптопары DIL, полагаются на относительно медленные светодиодные источники и фототранзисторные приемники. В то время как ребята, которые делают волоконные вещи, делают свои VCSELS и фотодиоды пригодными для подключения к волокну - с регулируемым током смещения, с местным диодом обратной связи, привязанным к VCSEL и т. Д. Очевидно, никто не получил идею построить электрическую фотоэлектрическую пару из эти высококачественные детали. Обратите внимание, что гигабитные устройства с волоконно-оптической связью обычно используют переменный ток на электрических интерфейсах, но это не должно быть большой проблемой,

Может быть, это просто консервативный взгляд на индустрию со старой школы, с моей стороны. Возможно, технология гигабитной широкополосной передачи уже перешла в новую эру, когда вы можете играть только в терминах стандартизированных шин и интерфейсов, и нет смысла делать дискретные компоненты, способные передавать глупую простую логику 1/0 на одном сигнале. , Может быть, это просто моя мысль в стиле динозавров, что вы все равно можете взламывать такие вещи вместе. Современная эра ГГц, похоже, «поднимает планку» против случайных хакеров с помощью паяльника. Взлом электроники стал делом закрытых лабораторий с дорогостоящим оборудованием, доступным только крупным вендорам. Это закрытый клуб. Отныне все, что вы можете взломать, это программное обеспечение или, может быть, какие-то тривиальные вещи с антенной.

Сигнальные трансформаторы, видимо, хороши только на низких сотнях МГц. 1000Base-TX и особенно 10GBase-TX прилагают большие усилия к хитрой модуляции, чтобы сжать данные во множество «битов на символ» на сбалансированных линиях с полным дуплексом на пару, за счет энергоемкой обработки DSP для всей модуляции. / локальное эхоподавление / предварительное выравнивание ... просто для того, чтобы поместиться в полосе пропускания около 200 МГц, доступной через «магнетизм» (трансформаторы сигнала) Если вы знакомы с технологией телевизионных антенн, вы могли заметить, что в верхнем диапазоне, скажем, 500–800 МГц и выше, гальванические развязки строго емкостные. Независимо от того, какой материал сердечника вы выберете, индуктивные трансформаторы просто не годятся на этих частотах.

В конце концов ... знаете что? USB3, кажется, использует отдельные линии передачи сбалансированной пары: одна пара для TX, одна пара для RX. Чувствую себя как дома.

Сожалею.

Отвечая буквально: нет, в настоящее время нет никаких ограничений.

Все же практические решения <400 $ редки. Это снова нечто физическое или, скорее, электронный дизайн, а не только маркетинг и массовое производство.

Но несколько лет назад VCSEL был дорогим, и распараллеливание также увеличивает стоимость изоляции и имеет проблемы с протоколом из-за увеличенной задержки (мы были рады, когда USB переключился с бесполезной последовательной шины на что-то с некоторой надежностью).

Даже в 2015/16 году битовая скорость доступных готовых цифровых изоляторов ИС ограничена до 150 Мбит / с, по моим наблюдениям. Я нашел только одну компанию, см. Ниже, которая предлагает чип USB2 480MBit / s.

Достаточно взглянуть на основной принцип iCoupler от AD. Они используют последовательности импульсов с длительностью импульса 1 нс и восстанавливают исходные импульсы с помощью этого, ну, ну, подхода оцифровки, с переносимой скоростью передачи битов до 150 Мбит / с, которой недостаточно для пропускной способности USB2 или USB3.

Приятной особенностью icoupler AD является то, что они могут передавать энергию для обеспечения вторичной стороны энергией (не много, но все же ...), и многие из их чипов имеют, например, RX, TX и катушку питания. Все, что вам нужно сделать, это добавить несколько конденсаторов. Так что ожидание того стоит.

Corning использует настоящие волоконно-оптические технологии с лазерами VCSEL в качестве излучателей (всегда была физически жизнеспособной вещью, хотя до недавнего времени доступного способа не было).

По крайней мере, оптические кабели USB 3.0 могут быть доступны по цене $ 110 за 10-метровую версию. Впоследствии вам может потребоваться подключенный концентратор USB3 для клиентов, которым требуется много энергии (если вам нужно более 200 мА или около того, но Corning говорит, что он не будет передавать питание). И вам может не повезти (или низкая надежность) для некоторых установок, будьте готовы повернуть его вспять.

Иногда мы получаем информацию из патентов. Но кто-то должен был бы заплатить лицензионные сборы за использование этого, если бы не владелец. Я нашел один от silanna.com, австралийской компании Chip, см. Патенты Google, WO2015104606A1. Ага, их высокоскоростное решение USB2 Silicon on Saphire на основе емкостного изолятора USB2 отсутствует: http://www.silanna.com/usb.html Итак, мы ждем макетную плату с высокоэффективной DC-DC-изоляцией, так как они утверждают, что работают над.

Можно с уверенностью утверждать, что все лазеры изнашиваются, у конденсаторов есть свои подводные камни и т. Д. И вот почему AD использует магнитную связь, среди других причин, таких как отказ от общей шины. См. Http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf. Там вы должны найти компромисс между толщиной изоляции и передаваемой пропускной способностью. Давайте подождем, пока они догонят 5 Гбит / с, что будет означать, что у них будет приемлемый джиттер, внутренне они должны будут передавать как 20..30Gpulses / s, если они будут повторно использовать технику icoupler ...

Надеюсь, я теперь доставил больше к буквам вопроса ...

Для меня я куплю Corning, но добавлю свой собственный изолированный источник питания постоянного тока, чтобы иметь USB для питания моего digilent аналогового обнаружения 2, без каких-либо дополнительных (настенных) вилок. Поскольку некоторые оптические кабели, как сообщается, не совместимы с USB2, возможно, после подключения потребуется установить небольшой (1-портовый) USB-концентратор. Вместе, на данный момент, это делает подход неуклюжим и пэчворк из 3 модулей.

Твой Энди

Стоит отметить, что, хотя скорость передачи данных Gig Ethernet намного выше, чем высокая скорость USB2, на самом деле он использует все 4 пары кабеля cat5 для достижения этой цели. Кроме того, он использует схему модуляции с несколькими уровнями (PAM5) для поддержания скорости электрической сигнализации в каждой паре примерно такой же, как 100baseT, а именно около 25 МГц, с которой хорошо справляются трансформаторы.

Usb использует только двухуровневый уровень, поэтому здесь скорость передачи данных равна скорости передачи данных. Полная скорость 12 Мбит / с - это половина скорости передачи сигналов Gbit Ethernet, и она достижима. Преобразование 480 Мбит / с с помощью простого двоичного файла - это задача для оптики или более хитрое решение, такое как распараллеливание данных USB и преобразование их с более низкой скоростью. Это не моя идея, .. я видел, что это было предложено несколько недель назад.

На самом деле существует множество настроек мультимедиа, звуковых карт, у которых есть проблемы, связанные с подключением аудио, данных и питания. Сценические установки Prof 'со звуковыми картами USB создают проблемы, когда несколько клавиатур подключаются к одному и тому же ПК через USB, а также совместно используют аудио и питание. Обычно мы должны изолировать звук, но даже в этом случае могут появиться помехи на устройствах собственных аудиогенераторов через разъемы USB и питания. Надеюсь, это поможет понять.