Técnicas e soluções para a isolação de dados e de alimentação USB

Introduzido em 1996, o barramento serial universal (USB) se tornou o principal método para conectar periféricos a PCs. Com as taxas de dados USB aumentando nos últimos 24 anos de 1,5 megabits por segundo (Mbits/s) para mais de 20 gigabits por segundo (Gbits/s), os fabricantes de teste e medição, em particular, tomaram nota e entraram no mercado com equipamentos de teste baseados em USB. Os entusiastas também aproveitaram a ubiquidade do USB e desenvolveram muitas de suas próprias ferramentas de medição exclusivas.

Entretanto, há um perigo potencial que espreita quando se usa ou projeta um equipamento baseado em USB conectado a uma porta USB de um PC. Enquanto um dispositivo em teste (DUT) pode ser alimentado por uma fonte de alimentação flutuante, uma vez conectado a um PC aterrado, as malhas de terra podem entrar em jogo. Como resultado, podem ser gerados graves diferenciais de potencial do terra que podem causar danos ao circuito, ou pior ainda, ferimento pessoal.

Para erradicar as conexões de malha do terra, tanto as vias de energia quanto as de comunicação de dados precisam ser isoladas de forma galvânica do aterramento USB do PC. Há várias opções para isolar as comunicações de dados, dependendo da taxa de dados e do protocolo. Além disso, várias estratégias de isolação podem ser implantadas, incluindo capacitivas, ópticas e eletromagnéticas.

Este artigo define a isolação galvânica antes de descrever muitas das diferentes tecnologias de isolação USB e os prós e contras de cada uma. Em seguida, apresentará soluções de isolação do mundo real da Texas Instruments, Würth Electronik, ON Semiconductor e Analog Devices, além de mostrar como aplicá-las de forma eficaz.

O que é isolação galvânica?

Em seu núcleo, a isolação galvânica impede o fluxo ou a condução de corrente entre dois ou mais circuitos elétricos separados, enquanto ainda permite a passagem de energia e/ou informações entre eles.

Para fins de simplificação, este artigo focará em dois circuitos separados, chamados de lado primário e lado secundário. O circuito primário é alimentado por USB e compartilha o fluxo de dados bidirecionais com um PC host. A região que separa os circuitos é chamada de barreira de isolação e é selecionada a fim de resistir a tensões de ruptura de centenas a milhares de volts. Tipicamente, ar, dióxido de silício (SiO₂), poliimida ou outro material não-condutor separa os dois circuitos (Figura 1).

Figura 1: um exemplo de isolação galvânica mostrada entre a entrada USB no lado primário do circuito e o lado secundário. A barreira de isolação precisa resistir a tensões de centenas a milhares de volts. (Fonte da imagem: DigiKey)

Transferência isolada de dados

Como definido acima, a isolação galvânica permite a transferência de dados ou informações entre os circuitos elétricos separados. Mas como isto pode ser conseguido sem algum tipo de material condutor entre os circuitos? Existem várias soluções práticas para este problema, incluindo tecnologias óticas, capacitivas e eletromagnéticas. Há vantagens e desvantagens para cada uma dessas abordagens, como discutido abaixo. Para o projetista, a consideração das taxas de dados, descarga eletrostática (ESD), interferência e requisitos de energia entram em jogo ao decidir sobre a estratégia a ser usada.

Óptica: uma das abordagens mais conhecidas para isolação é o isolador óptico ou optoisolador (ou optoacoplador). A isolação é obtida através do uso de um diodo emissor de luz (LED) no lado primário da barreira e um transistor fotossensível no lado secundário. O FOD817 da ON Semiconductor é um bom exemplo de um optoisolador (Figura 2). Os dados são transmitidos usando pulsos de luz sobre a barreira de isolação do LED, que é recebido pelo fototransistor em uma configuração de coletor aberto. Quando o LED estiver ligado, o fotodiodo gerará um fluxo de corrente no circuito secundário.

Como a luz é utilizada para transferência de dados, o optoisolador não é suscetível a interferência eletromagnética (EMI). Como desvantagem, a taxa de transferência de dados pode ser lenta porque ela é uma função da velocidade de chaveamento do LED. Além disso, os optoisoladores tendem a ter uma vida útil mais curta em comparação com outras tecnologias devido à degradação do LED ao longo do tempo.

Figura 2: optoisolador - o LED emite pulsos de luz através da barreira de isolação que são recebidos pelo fotodiodo e geram fluxo de corrente no circuito secundário. (Fonte da imagem: ON Semicondutor)

O FOD817 é um dispositivo de canal único dimensionado até 5 kV rms CA por um minuto. Ele compreende um LED infravermelho (IV) de arseneto de gálio (GaAs) que conduz um fototransistor de silício. As aplicações podem incluir reguladores de potência e entradas lógicas digitais.

Isolação eletromagnética: esta é talvez a mais antiga abordagem tecnológica à isolação de circuitos. Os fundamentos da indução eletromagnética são utilizados para transferir dados (e energia, como discutido mais adiante) entre duas bobinas. Esta abordagem tem sido significativamente reforçada ao longo do tempo por empresas como a Analog Devices com a sua tecnologia iCoupler. A tecnologia iCoupler incorpora as bobinas do transformador num circuito integrado e utiliza um substrato de poliimida para a barreira de isolação.

As abordagens eletromagnéticas à isolação são mais susceptíveis à interferência do campo magnético do que os optoisoladores, e geram o seu próprio potencial EMI, que pode precisar ser tratado na fase de concepção do produto. No entanto, as vantagens são taxas de dados mais elevadas de 100 Mbits/s ou mais, além de baixo consumo de energia.

O ADuM1250 da Analog Devices fornece um exemplo deste tipo de tecnologia (Figura 3). Visando aplicações bidirecionais de isolação de dados I²C, tais como aplicações de substituição em funcionamento, o dispositivo apresenta uma taxa de dados de até 1 Mbit/s e é dimensionado para 2500 volts rms durante um minuto pela norma UL 1577. Ele consome 2,8 miliamperes (mA) de corrente de entrada (IDD1) no lado primário e 2,7 mA de corrente no lado secundário (IDD2) a uma tensão de alimentação de 5 volts (VDD1 e VDD2). Observa-se que cada canal I²C (clock e linhas de dados) no ADuM1250 requer dois transformadores incorporados para alcançar bidirecionalidade.

Tipicamente, os dados são transmitidos entre as bobinas do transformador utilizando um esquema de transição de borda. São utilizados pulsos curtos de um nanossegundo para identificar a primeira e segunda borda do sinal de dados. O hardware de codificação e decodificação está também incorporado no dispositivo.

Figura 3: no isolador duplo I²C ADuM1250, cada linha I²C requer dois transformadores distintos para obter dados bidirecionais e transferência de clock. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Isolação capacitiva: a isolação capacitiva é alcançada, como o seu nome indica, através da utilização de capacitores (Figura 4). Devido às características da tecnologia capacitiva, a tensão CC é bloqueada pelo capacitor, enquanto a tensão CA é permitida a fluir livremente.

Figura 4: a isolação capacitiva potencializa a característica capacitiva de bloquear sinais CC e permitir que os sinais CA fluam através da barreira de isolação. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Utilizando uma portadora de alta frequência (CA) para a transferência de dados através do capacitor, a informação pode ser passada utilizando um esquema de modulação, tal como a polarização on-off (OOK). A presença de uma portadora de alta-frequência pode constituir uma saída digital de zero (BAIXO), e a ausência da portadora significaria um (ALTO) (Figura 5).

Figura 5: um esquema de polarização on-off (OOK) utiliza a presença ou ausência de um sinal portador de alta frequência (CA) emitido através da barreira de isolação para transferir um sinal de nível lógico ALTO ou BAIXO. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Assim como a isolação magnética, as vantagens da isolação capacitiva são altas taxas de transferência de dados (100 Mbits/s ou superior) e baixo consumo de energia. As desvantagens incluem uma maior susceptibilidade à interferência do campo elétrico.

Um grande exemplo da tecnologia de isolação capacitiva é o isolador digital ISO7742 de quatro canais da Texas Instruments, com isolação de até 5000 volts rms. O dispositivo vem em várias configurações, dependendo da direção necessária do fluxo de dados. Ele possui uma taxa de dados de 100 Mbits/s e consome 1,5 mA por canal. As aplicações para o ISO7742 incluem equipamento médico, fontes de alimentação e automação industrial.

Isolação da alimentação USB

Prestando muita atenção às fichas técnicas dos componentes de isolação, os projetistas perceberão rapidamente que cada lado do componente requer fontes de energia separadas: uma para o lado primário e outra para o lado secundário (VCC1 e VCC2), cada uma com a sua respectiva referência de terra para manter a barreira de isolação.

Se o projeto em consideração tiver fontes de energia separadas, USB de 5 volts no lado primário e uma bateria separada mais terra para alimentar o secundário, então tudo está satisfatório. Contudo, se o produto for concebido para uma única fonte, digamos apenas uma entrada USB de 5 volts, então como é fornecida a alimentação de tensão da isolação secundária? Um conversor CC-CC (ou controlador de transformador) e um transformador de isolação fornecem a solução. O conversor CC-CC pode ser utilizado para elevar ou abaixar a tensão, enquanto que o transformador fornece a isolação galvânica.

Um exemplo de tal fonte de alimentação isolada é mostrado na Figura 6, utilizando um controlador de transformador da Texas Instruments SN6505 combinado com um transformador de isolação da Würth Elektronik 750315371 (isolação de 2500 volts rms). Usando o padrão USB de 5 volts e 500 mA de entrada para o SN6505, ele normalmente fornece energia mais do que suficiente para suprir circuitos de isolação no lado secundário para transferência de dados, bem como possivelmente outros circuitos, tais como sensores. Os dois diodos no lado do circuito secundário fornecem retificação na saída. Muitos projetos incluem um regulador de baixa queda de tensão (LDO) no secundário para uma regulação de tensão mais limpa.

Figura 6: o controlador de transformador Texas Instruments SN6505 combinado com um transformador de isolação Würth Elektronik 750315371 fornece um caminho de energia isolado para suprir um circuito no lado secundário. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Um critério adicional que pode tornar-se importante para o projetista: o espaço disponível na placa de circuito impresso (PCI). A utilização de componentes separados para isolação de energia e dados pode ocupar uma área preciosa numa placa. A boa notícia é que existem dispositivos que combinam tanto a energia quanto a isolação de transferência de dados num único invólucro. Um exemplo desta topologia é o isolador digital de dois canais ADuM5240 da Analog Devices (Figura 7).

Figura 7. O isolador digital de dois canais ADuM5240 da Analog Devices combina num único dispositivo a isolação de energia e de dados para poupar espaço. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O ADuM5240 utiliza a isolação magnética baseada em transformador para a transmissão de energia e de dados num único invólucro, para reduzir os requisitos gerais de área das placas de circuito. O ADuM5240 fornece isolação de 2500 volts rms durante 1 minuto pela norma UL 1577, e uma taxa de dados de até 1 Mbit/s.

Isolação de dados USB a montante

Todos os exemplos apresentados acima assumem a isolação entre o circuito primário e o secundário. Nos casos em que já existe um periférico concebido sem hardware de isolação de dados, os projetistas podem fazer a isolação na interface USB (ou seja: no cabo). Isto força, de forma eficaz, a isolação de dados a montante entre o host USB e o periférico USB (Figura 8).

Figura 8: se já existir um periférico concebido sem hardware de isolação de dados, os projetistas podem ainda fornecer proteção movendo a isolação de dados USB a montante, entre o host USB e o periférico USB. (Fonte da imagem: DigiKey)

Para implementar esta abordagem, os projetistas podem utilizar o ADuM4160 da Analog Device com isolação dimensionada em 5000 volts rms por 1 minuto. Esta solução utiliza a mesma tecnologia iCoupler discutida acima, mas a isolação é direcionada para a interface de dados USB (D+ e D-) (Figura 9). Aplicações adicionais para o ADum4160 incluem hubs USB isolados e dispositivos médicos.

Figura 9: o ADuM4160 da Analog Devices fornece uma solução de isolação da linha de dados USB (D+, D-) que pode ser útil onde for necessário fornecer isolação na conexão a cabo entre o host USB e o periférico. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Considerações de projeto para a isolação

Como um projetista escolhe a melhor tecnologia de isolação? Como mencionado acima, vários fatores entram em jogo para selecionar a tecnologia certa para o trabalho em questão. A tabela 1 mostra alguns desses critérios de projeto entre os diferentes tipos de tecnologias de isolação. Como acontece com qualquer projeto, uma consideração cuidadosa deve ser tomada para entender completamente os componentes que estão sendo usados. Não há substituto para uma revisão completa das fichas técnicas e prototipagem com componentes selecionados.

Tabela 1: há alguns fatores-chave a serem considerados ao escolher uma abordagem de isolação, mas é fundamental que os projetistas estudem cuidadosamente a ficha técnica e o protótipo com os componentes selecionados. (Fonte dos dados: DigiKey)

Além daqueles definidos na Tabela 1, outros fatores devem ser considerados ao desenvolver periféricos isolados baseados em USB. Por exemplo, o balanço total de energia necessária para o circuito secundário deve ser calculado. Deve-se transferir energia suficiente do lado primário para o circuito secundário isolado para fornecer toda a energia necessária não apenas para os componentes de isolação, mas também para quaisquer outros dispositivos, tais como sensores, LEDs e componentes lógicos.

Também, como mencionado acima, se for utilizada uma solução de isolação eletromagnética, o potencial EMI gerado pelo transformador deve ser contabilizado no teste de emissões e/ou impacto de EMI sobre outros circuitos.

Conclusão

O USB continua a crescer em taxas de transferência de dados e capacidades de fornecimento de fonte de energia. Entretanto, ao projetar produtos com alimentação USB e/ou interface de dados, é prudente manter em mente a isolação galvânica dos dados e circuitos de energia.

Para alcançar a isolação galvânica, os projetistas podem escolher entre abordagens ópticas, capacitivas e eletromagnéticas após considerar vários critérios, incluindo taxas de transferência de dados e EMI, bem como os requisitos de potência e espaço de placa. Independentemente do que for escolhido, há muitas soluções disponíveis para ajudar os projetistas a garantir tanto a integridade do circuito quanto a sua segurança e do usuário final.