Có thể cách ly điện đối với USB tốc độ cao không?

Tôi có một bộ cách ly USB cung cấp khả năng cách ly điện của thiết bị USB với PC của tôi, nhưng chỉ hoạt động đối với USB tốc độ thấp và tốc độ đầy đủ. Tôi không thể tìm thấy bất kỳ bộ cách ly điện thay thế nào cung cấp kết nối tốc độ cao; Tuy nhiên, bộ mở rộng sợi USB được cung cấp với thông lượng tốc độ cao và nên cung cấp cả cách ly điện và băng thông cao, mặc dù có lẽ với chi phí cao hơn?

Có giới hạn thực tế hoặc vật lý đối với băng thông của bộ cách ly điện đối với USB không? Là các định luật vật lý thực tế có liên quan, hay đây chỉ là một thách thức kỹ thuật hoặc vấn đề chi phí?

Biên tập

Hãy để tôi viết lại câu hỏi của riêng tôi:

Bộ cách ly USB không sợi có giá khoảng € 100 nhưng bị giới hạn ở USB tốc độ đầy đủ. Bộ cách ly USB tốc độ cao không tồn tại, vì vậy tôi cho rằng chúng không thể được tạo ra với giá € 100, nhưng sẽ có giá cao hơn đáng kể (€ 1000? € 10000). Với mức giá như vậy, không có thị trường, do đó không có bộ cách ly USB tốc độ cao có sẵn.

Câu hỏi đặt ra là: Điều gì làm cho bộ cách ly USB tốc độ cao đắt hơn nhiều so với bộ cách ly USB tốc độ đầy đủ? Có giới hạn vật lý nào đối với cách tiếp cận được sử dụng cho các thiết bị tốc độ đầy đủ khiến nó không thể áp dụng và / hoặc cấm chi phí cho các thiết bị tốc độ cao không?

Chắc chắn có luật tiếp thị liên quan. :-)

Gigabit Ethernet và 10G-Ethernet có cách ly điện. Vì vậy, rõ ràng là có thể và thường xuyên được thực hiện với công nghệ ngày nay.

Một bộ mở rộng USB cáp quang về cơ bản hoạt động giống như một bộ ghép quang ngoại trừ nguồn sáng và bộ thu ánh sáng nằm trên các chip riêng biệt. Kết hợp các chức năng của một bộ mở rộng sợi thành một gói duy nhất nên rẻ hơn, không đắt hơn. Sử dụng khớp nối từ tính hoặc điện dung thay vì khớp nối quang nên rẻ hơn một lần nữa.

USB thường được sử dụng cho các kết nối dữ liệu khoảng cách ngắn (tối đa 5m) trong đó không có sự khác biệt đáng kể về tiềm năng mặt đất và không cần cách ly điện.

Có một vài ứng dụng, ví dụ như tiếng ồn điện hoặc y tế thấp, đòi hỏi hoặc hưởng lợi từ sự cách ly điện. Tất cả các ứng dụng này là chuyên dụng và các giải pháp mở rộng sợi hiện có đáp ứng đầy đủ yêu cầu cách ly điện. Ngoài ra, các giải pháp không dây như Bluetooth, Zigbee, v.v cũng đáp ứng yêu cầu cách ly (ở tốc độ chậm). Tóm lại, có lẽ không có nhiều thị trường thích hợp cho các bộ cách ly USB.

FWIW, tôi đã sử dụng một bộ mở rộng sợi cách đây vài năm trong quá trình phát triển trên một hệ thống phụ cung cấp điện cao áp. Tôi chỉ cần cách ly, sợi vẫn cuộn trên băng ghế.

Cảm ơn các liên kết.

Chỉnh sửa: Về phần câu hỏi "Có liên quan đến các định luật vật lý thực tế không, ..." Không, có nhiều liên kết truyền thông được cách ly nhanh hơn, như Gigabit Ethernet, Ethernet 10G và thậm chí là các giải pháp không dây.

"... hay đây chỉ là một thách thức kỹ thuật hay vấn đề chi phí?" Vâng, kể từ năm 2018, thách thức kỹ thuật ít hơn so với vài năm trước, nhưng vẫn sẽ là một nỗ lực đáng kể. Nhưng ai sẽ tài trợ cho việc phát triển các giải pháp như vậy nếu nhu cầu xuất hiện rất hạn chế?

Có các chip lặp được cách ly sẵn sàng cho tốc độ truyền USB 12Mbps: ADuM4160 của Thiết bị analog hoặc LTM2884 của Công nghệ tuyến tính . Đáng ngạc nhiên với tôi, cả hai đều chứa khớp nối cảm ứng = biến áp tín hiệu trên chip thu nhỏ làm các phần tử ghép nối, giao tiếp với thế giới bên ngoài bằng các bộ thu phát đệm silicon (CMOS?). Làm cho tôi tự hỏi tại sao sự cô lập không phải là quang học ngày nay ...

Lưu ý rằng 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e hoặc RS422, tất cả đều sử dụng một cặp cân bằng theo cả hai hướng, cùng với nhau bao gồm một liên kết song công 4 dây. Tôi đoán Gigabit và 10Gb chỉ hoạt động theo cách đó trên cáp quang.

Ngược lại, USB tốc độ thấp / đầy đủ / tốc độ cao sử dụng một cặp cân bằng duy nhất, ở chế độ bán song công, trong đó máy chủ và thiết bị thay phiên nhau nói chuyện trên xe buýt và phải kiểm tra trình điều khiển đường truyền khi kết thúc nói chuyện, để tạo cơ hội cho bên kia (hơi giống với RS485, mặc dù nhiều chi tiết về điện và khung là khác nhau).

Bất kỳ bộ cách ly điện nào, bao gồm cả các chip được đề cập ở trên, đều phải tôn trọng phong cách chuyển đổi hướng bán song công đó. Về mặt lý thuyết, một trafo tín hiệu sẽ hoạt động ở tốc độ 12 Mb / giây, ngoại trừ các điện trở phân cực DC và việc đóng khung có thể không "không có bù DC trung bình", khiến việc sử dụng một trafo thụ động trở nên khó khăn. Suy giảm sang một bên.

Có lẽ chính xác là cần bộ cách ly hoạt động này để "xoay bàn" đủ nhanh, để phát hiện sự kết thúc truyền ngay từ đầu, khiến việc thực hiện "bộ lặp USB ngu ngốc" ở tốc độ 480 Mbps, ngay cả trong silicon ngày nay. Có một số thay đổi khác trong giao diện điện cho USB 2.0 tốc độ cao (tín hiệu dòng không đổi) có thể là một yếu tố khác khiến USB tốc độ cao không dễ dàng cho vay loại chuyển đổi RX / TX kiểu 485 này trong một bộ lặp câm.

Lưu ý rằng có một cách tiếp cận khác cho vấn đề "chuyển hướng": thay vì phát hiện Z cao trên đường truyền theo kiểu tương tự, mang lại độ trễ (độ trễ) vốn có, bộ cách ly sẽ phải hiểu giao thức USB, chỉ cần giống như một trung tâm USB thực hiện - để nó biết khi nào sẽ nhận được kết thúc của khung hình hiện tại. Và có thể, nó sẽ đệm toàn bộ khung hình, trước khi chuyển chúng sang phía bên kia - giống như một bộ chia USB. (Hay là vậy?) Thực tế, bộ cách ly sẽ phải trở thành một bộ chia USB, với một khoảng cách ly ở đâu đó trong đó.

Điều này có phần đáng ngạc nhiên đối với tôi, rằng không có bộ lặp tách biệt kiểu trung tâm. Có thể do ATMEL và bạn bè tạo ra các trung tâm và Analog hoặc Tuyến tính (hoặc Avago?) Tạo ra các bộ cách ly, nhưng hai băng nhóm không trộn lẫn ...

Vấn đề vận chuyển bitrate cao qua khoảng cách cô lập không quá khó khăn - nhưng ngay cả khu vực này có vẻ "kém phát triển" một cách đáng ngạc nhiên, hoặc dường như phải chịu một khoảng cách nào đó. Ethernet 10Gb qua cáp quang đã có từ nhiều năm nay, với SERDES dải cơ sở bitwise (dòng bit), được truyền bởi một "laser" (ít nhất là một VCSEL) và được nhận bởi một điốt quang. Tuy nhiên, các bộ ghép opto đóng gói DIL chỉ đạt gần 50 Mbps. Khoảng cách đến từ đâu? Dường như với tôi rằng những kẻ chế tạo bộ ghép quang DIL dựa vào nguồn LED tương đối chậm và máy thu bóng bán dẫn hình ảnh. Trong khi những người chế tạo vật liệu sợi làm cho VCSELS và photodiod của họ phù hợp để ghép với sợi quang - với dòng điện thiên vị có thể điều chỉnh, với một diode phản hồi cục bộ gắn vào VCSEL, v.v. những bộ phận cao cấp. Lưu ý rằng công cụ gigabit được ghép bằng sợi thường sử dụng khớp nối AC trên các giao diện điện, nhưng đó không phải là một vấn đề lớn,

Có lẽ đó chỉ là một quan điểm trường học cũ bảo thủ về ngành công nghiệp. Có thể công nghệ băng thông cao gigabit đã chuyển sang một kỷ nguyên mới, nơi bạn chỉ có thể chơi theo các giao diện và giao diện được tiêu chuẩn hóa, và không có lý do gì để tạo ra các thành phần rời rạc có khả năng truyền logic đơn giản 1/0 trên một tín hiệu duy nhất . Có lẽ đây chỉ là suy nghĩ theo kiểu khủng long của tôi rằng bạn vẫn có thể hack mọi thứ cùng nhau như vậy. Kỷ nguyên GHz hiện đại dường như "nâng tầm" chống lại các tin tặc thông thường bằng bàn ủi hàn. Hack điện tử đã trở thành một vấn đề của các phòng thí nghiệm khép kín với các thiết bị đắt tiền, chỉ dành cho các nhà cung cấp lớn trong ngành. Đó là một câu lạc bộ khép kín. Từ giờ trở đi, tất cả những gì bạn có thể hack là phần mềm, hoặc có thể là một số thứ ăng ten tầm thường.

Máy biến áp tín hiệu rõ ràng chỉ tốt ở mức thấp hàng trăm MHz. 1000Base-TX và đặc biệt là 10GBase-TX phải chịu nhiều khó khăn trong việc điều chế xảo quyệt để ép dữ liệu thành nhiều "bit trên mỗi ký hiệu", trên các làn cân bằng song công hoàn toàn trên mỗi cặp, với chi phí xử lý DSP đói năng lượng cho tất cả các điều chế / khử tiếng vang cục bộ / cân bằng trước ... chỉ để phù hợp với bên trong có thể 200 MHz băng thông có sẵn thông qua "từ tính" (biến áp tín hiệu). Nếu bạn đang sử dụng công nghệ ăng-ten TV, bạn có thể nhận thấy rằng ở dải tần trên, giả sử 500-800 MHz trở lên, các bộ cách ly điện có điện dung nghiêm ngặt. Cho dù bạn chọn vật liệu cốt lõi nào, máy biến áp cảm ứng đều không tốt ở các tần số đó.

Cuối cùng ... bạn biết gì không? USB3 dường như sử dụng các đường truyền cặp cân bằng riêng biệt: một cặp cho TX, một cặp cho RX. Cảm thấy như về nhà.

Lấy làm tiếc.

Trả lời theo nghĩa đen: không, ngày nay không còn giới hạn nữa.

Các giải pháp thực tế <400 $ rất hiếm. Đây là một cái gì đó vật lý hoặc đúng hơn là thiết kế điện tử một lần nữa, không chỉ tiếp thị và sản xuất khối lượng.

Nhưng một vài năm trước, VCSEL đã trở nên đắt đỏ và song song đó cũng làm tăng chi phí cách điện và có vấn đề về giao thức do sự chậm trễ gia tăng (chúng tôi rất vui khi USB chuyển từ bus nối tiếp vô dụng sang một thứ gì đó có độ tin cậy).

Ngay cả 2015/16 tốc độ bit của các IC cách ly kỹ thuật số sẵn có cũng bị giới hạn, ở mức 150Mbit / giây theo phát hiện của tôi. Tôi chỉ tìm thấy một công ty, xem bên dưới, cung cấp chip USB2 480MBit / s.

Chỉ cần nhìn vào nguyên tắc cơ bản của iCoupler của AD. Họ sử dụng các chuỗi xung với độ rộng xung 1ns và tái tạo lại các xung ban đầu bằng cách tiếp cận số hóa này, với tốc độ bit có thể chuyển lên tới 150Mbit / s, không đủ băng thông cho tốc độ cao USB2 hoặc USB3.

Điều hay ho của icoupler của AD là chúng có thể truyền năng lượng để cung cấp năng lượng cho bên thứ cấp (không nhiều, nhưng vẫn ...), và rất nhiều chip của chúng có ví dụ như RX, TX và cuộn dây Power. Tất cả bạn phải làm là thêm một số tụ điện. Vì vậy, sự chờ đợi sẽ có giá trị trong khi.

Corning sử dụng các kỹ thuật sợi quang thực sự với VCSEL Laser làm nguồn phát (luôn luôn là một thứ khả thi về mặt vật lý mặc dù không có cách nào hợp lý để đi đến gần đây).

Ít nhất cáp USB3.0 quang corning có giá phải chăng, 110 đô la cho phiên bản 10m. Bạn có thể cần một số trung tâm USB3 được cấp nguồn sau đó cho các máy khách đói điện (nếu bạn cần nhiều hơn 200mA hoặc hơn, nhưng corning nói rằng nó sẽ chuyển "không có điện"). Và bạn có thể gặp xui xẻo (hoặc độ tin cậy thấp) đối với một số thiết lập, hãy chuẩn bị để quay lại.

Đôi khi chúng tôi nhận được thông tin từ các bằng sáng chế. Nhưng ai đó sẽ phải trả phí giấy phép cho việc sử dụng nó, nếu không phải là chủ sở hữu. Tôi tìm thấy một bởi silanna.com, công ty Chip Úc, xem bằng sáng chế của google, WO2015104606A1. Aha, USB2 Silicon của họ trên giải pháp tốc độ cao dựa trên bộ cách ly điện dung USB2 của Saphire đã hết: http://www.silanna.com/usb.html Vì vậy, chúng tôi chờ đợi một bảng bảo vệ có cách ly DC-DC hiệu quả cao, như họ tuyên bố đang làm việc trên.

Bạn chắc chắn có thể lập luận rằng tất cả các laser bị hao mòn, tụ điện đều có những cạm bẫy của chúng, v.v ... Và đây là lý do tại sao AD sử dụng khớp nối từ tính, trong số những lý do khác như từ chối đường ray thông thường. Xem http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Ở đó bạn phải đánh đổi độ dày cách ly so với băng thông truyền được. Chúng ta hãy chờ đợi họ bắt kịp với 5GBit / giây, điều đó có nghĩa là để có jitter chấp nhận được, bên trong họ sẽ phải truyền như 20..30Gpulses / s, nếu họ sử dụng lại kỹ thuật icoupler ...

Hy vọng bây giờ tôi đã chuyển nhiều hơn đến nghĩa đen của câu hỏi ...

Đối với tôi, tôi sẽ mua corning, nhưng sẽ thêm nguồn cung cấp điện riêng biệt DC-DC của riêng tôi để có USB để cung cấp năng lượng cho phát hiện tương tự 2 của tôi, mà không cần thêm phích cắm (tường) nào. Do một số cáp quang được báo cáo là không tương thích với USB2, có lẽ một số USB Hub nhỏ (1 cổng) sẽ phải được đặt sau khi corning. Cùng nhau, bây giờ, điều này làm cho cách tiếp cận vụng về và chắp vá gồm 3 mô-đun.

Bạn, Andi

Điều đáng chú ý là mặc dù tốc độ dữ liệu của Gig Ethernet cao hơn nhiều so với tốc độ cao USB2, nhưng thực tế nó sử dụng cả 4 cặp cáp cat5 để đạt được điều này. Ngoài ra, nó sử dụng sơ đồ điều chế với nhiều mức (PAM5) để giữ tốc độ tín hiệu điện trên mỗi cặp gần bằng 100baseT, cụ thể là khoảng 25Mhz, mà máy biến áp xử lý tốt.

USB chỉ sử dụng hai cấp độ nên ở đây tốc độ báo hiệu giống như tốc độ dữ liệu. Tốc độ đầy đủ 12mbits / giây là một nửa tốc độ báo hiệu của Gbit Ethernet và có thể đạt được. Chuyển đổi 480Mbits / giây với nhị phân đơn giản là một nhiệm vụ cho quang học hoặc một giải pháp khôn ngoan hơn như song song dữ liệu usb và chuyển đổi dữ liệu này với tốc độ thấp hơn. Đây không phải là ý tưởng của tôi, .. tôi thấy nó được đề xuất vài tuần trước.

Thực tế có nhiều thiết lập đa phương tiện, card âm thanh có vấn đề trong đó có cả kết nối âm thanh, dữ liệu và nguồn. Thiết lập giai đoạn của Prof với card âm thanh USB có vấn đề trong đó nhiều bàn phím được kết nối với cùng một PC thông qua USB và chia sẻ cả âm thanh và nguồn điện. Thông thường chúng ta phải cách ly âm thanh, nhưng thậm chí sau đó có thể gây ra tiếng ồn trên các thiết bị tạo âm thanh thông qua các kết nối nguồn và usb. Hy vọng điều này sẽ giúp hiểu.