Изолированный USB на базе моста USB-UART

29 февраля

Номенклатура цифровых изоляторов сигнала азиатских производителей сейчас очень обширна и по некоторым продуктам превышает широту западных линеек. Однако до сих пор есть позиции, достойной альтернативы которым азиатские компании предложить не могут. Одним из таких компонентов является изолятор интерфейса USB. К сожалению, несмотря на все разнообразие цифровых изоляторов, альтернативы такой продукции западного производства пока нет.

Одним из вариантов реализации изолированного интерфейса USB является интеграция специализированного моста USB во внутрисхемный последовательный интерфейс, который можно развязать доступными средствами (рисунок 1). Конечно, такое решение далеко не всегда позволит заменить настоящий USB, однако может быть полезным в тех применениях, где нет высоких требований к скорости USB, а также габаритные размеры печатной платы позволяют установить дополнительные компоненты.

Рис. 1. Схема моста USB-UART

Преобразователь интерфейсов

Компания WCH предлагает достаточно обширную линейку преобразователей, в которую входят 1- и 2-канальные модели (таблица 1). Предельные скорости интерфейсов в большинстве вариантов превышают 1 Мбит/с.

Таблица 1. Линейки преобразователей интерфейсов WCH

Самым популярным и часто используемым решением для преобразования USB-интерфейса во внутрисхемный UART являются выпускаемые WCH микросхемы серии CH340 – одноканальные преобразователи USB в последовательный порт. Продукция, в которой они наверняка встречались потребителю – это модули преобразователей USB-UART, отладочные платы и модули с микроконтроллерами семейства ESP32, а также клоны Arduino различных китайских брендов.

Основные возможности:

• полноскоростной интерфейс USB-устройства, совместимый с USB 2.0;
• аппаратный полнодуплексный интерфейс UART, встроенный буфер приема-передачи, поддержка скорости передачи данных в бодах 50…2 Мбит/с;
• последовательные данные, содержащие один начальный бит низкого уровня, 5/6/7/8 бит данных и 1 или 2 стоп-бита, бит четности или его отсутствие;
• доступные корпуса: SOP-16, SOP-8, SSOP-20, ESSOP-10, MSOP-10 (рисунок 1).

Рис. 2. Варианты корпусов для микросхем серии CH340

Продукция компании WCH является хорошей заменой USB-преобразователям производства FTDI. Несмотря на то, что ассортимент от FTDI несколько шире, продукция WCH приближена к ним по многим параметрам. В сегменте бюджетных решений серия CH340 выигрывает за счет меньшей цены и более удобного корпусного исполнения. Данные микросхемы могут с успехом заменить популярные решения на базе FT232, особенно если необходим только режим UART без функциональности полного модема.

Изолятор цифровых сигналов

Для гальванической развязки цифровых линий после преобразователя интерфейса подойдет стандартный цифровой изолятор в конфигурации 3/1 или вариант интегрированного решения — цифровой изолятор со встроенным изолированным питанием.

В первом случае при выборе нужного компонента необходимо исходить из требований изоляции. Рекомендуем обратить внимание на продукцию компании Chipanalog. Идеальным сочетанием цены, качества и высоких характеристик отличаются модели серии CA‐IS3741xx. Их главными отличительными особенностями являются высокое напряжение изоляции до 5 кВ в широком корпусе SOIC-16WB, скорость передачи до 150 Мбит/с и устойчивость к синфазным помехам до 150 кВ/мкс.

Типовая схема применения цифрового изолятора изображена на рисунке 3.

Основные технические характеристики изоляторов серии CA‐IS3741xx:

• варианты исполнения на 2, 3 и 4 канала;
• напряжение изоляции до 5 кВ;
• скорость передачи данных до 150 Мбит/с;
• триггер Шмидта на всех входах;
• время жизни изоляционного барьера >40 лет;
• напряжение питания 2,5…5,5 В;
• стойкость к синфазным помехам (CMTI) до ±250 кВ/мкс;
• ESD-защита (HBM) ± 6 кВ;
• надежная электромагнитная совместимость, низкая эмиссия;
• потребление 1,5 мА на канал при скорости передачи данных 1 Мбит/с;
• малое время задержки сигнала, не превышающее 12 нс;
• расширенный диапазон рабочих температур -40…125°C;
• RoHS-совместимые корпуса.

Рис. 3. Схема применения цифрового изолятора

Во втором варианте реализации устройство сочетает в себе функции цифрового изолятора и DC/DC-преобразователя для обеспечения изолированного питания. Самым популярным и востребованным решением является TDA51S-41HC производства MORNSUN. Это четырехканальный цифровой изолятор, выполненный в конфигурации 3/1, который позволяет реализовать изоляцию для четырех сигнальных линий интерфейса UART. TDA51S-41HC является комплексным решением, позволяющим упростить схему реализации гальванической развязки цифровых сигналов, а также существенно сократить место на плате. На рисунке 4 показана типовая схема включения цифрового изолятора MORNSUN.

Основные особенности цифровых изоляторов TDA51S-41HC:

• встроенный изолированный DC/DC-преобразователь с выходным током до 130 мА (700 мВт @ 5,5 В);
• напряжение питания 3,0…5,5 В;
• скорость передачи данных до 150 Mbps;
• усиленное напряжение изоляции 5000 В;
• 4 независимых канала изоляции (конфигурация 3/1);
• наносекундная задержка связи;
• защита от перегрузки, КЗ и перегрева;
• стойкость к синфазным помехам до 150 кВ/мкс;
• рабочая температура -40…125℃;
• компактный корпус SOIC16-WB;
• Pin-to-Pin-аналог ISOW7841 (TI);
• Всегда в наличии на складе КОМПЭЛ.

Рис. 4. Типовая схема реализации изолированных каналов с применением TDA51S-41HC

Изолированный DC/DC-преобразователь

В качестве изолированного источника питания можно использовать готовые микросхемы DC/DC-преобразователей в компактных корпусах SOIC и QFN (таблица 2). Пример такой схемы показан на рисунке 5. Посредством вывода SEL можно установить следующие значения выходного напряжения: 3,3/3,7/5,0/5,4 В. Все представленные в таблице микросхемы имеют схему мягкого пуска и защиты от перегрева, перегрузки и КЗ.

Таблица 2. Изолированные DC/DC-преобразователи

Рис. 5. Схема включения B0505ST16-W5/CA-IS3105W

Ввиду особенностей технологии изготовления интегрального трансформатора недостатком подобных решений является невысокое значение КПД, поэтому если разработчику важна высокая эффективность данного узла, то лучше использовать готовые модули производства MORNSUN или Yuan Dean.
Если на передний план, помимо эффективности, выступает еще и невысокая стоимость конечного изделия, то источник питания можно организовать и на отдельных компонентах с использованием микросхемы драйвера (таблица 3) и изолированного трансформатора (таблица 4) со всей необходимой обвязкой (рисунок 6).

Таблица 3. Микросхемы драйверов трансформатора

Наименование (производитель)	Аналог (степень совместимости)	Входное напряжение VIN, В	Номинальный ток IOUT, макс., мА	Частота коммутации FOSC, кГц	Рабочая температура, °C	Корпус
SCM1201BTA (MORNSUN)	SN6501 (функциональный аналог)	2,7…5,5	600	195…245	-40…150*	SOT23-6
SCM1212BTA(Q) (MORNSUN)	SN6501 (Pin-to-Pin-аналог)	2,7…5,5	600	195…245	-40…150*	SOT23-5
SCM1209ATA (MORNSUN)	MAX13256 (функциональный аналог)	8,1…30	600	238…282	-40…150*	SOT23-6
IS801B (AnalogySemi)	SN6501 (Pin-to-Pin-аналог)	2,5…5,5	500	300…550	-40…125	SOT23-5
IS802B (AnalogySemi)	SN6505 (Pin-to-Pin-аналог)	2,5…5,5	500	275…550	-40…125	SOT23-6

* Рабочая температура кристалла

При производстве микросхем драйверов особое внимание уделяется симметрии выходных транзисторов, что позволяет снизить ток подмагничивания трансформатора до минимума.

Рис. 6. Типовые схемы включения драйверов SCM1201BTA/SCM1212BTA производства MORNSUN

Push-Pull-трансформаторы для развязки питания

Помимо самих драйверов, компания MORNSUN также предлагает линейку развязывающих трансформаторов для топологии Push-Pull, которые обеспечивают изолированное питание вторичной стороны драйвера. Данные трансформаторы выполнены на различные значения напряжения изоляции (таблица 4): от функциональной (1,6 кВ) до усиленной (6 кВ).

Таблица 4. Push-Pull-трансформаторы MORNSUN

Наименование	Внешний вид	Входное напряжение Uвход, В DC	Выходное напряжение Uвыход, В DC	Выходной ток Iвыход, мА	Коэффициент трансформации (первичная обмотка : вторичная обмотка)	Изоляция	Топология
TTB0503-1T		5 (4,5…5,5)	3,3	303	1,29 : 1	1,65 кВ DC	Push-Pull
TTB0505-1T			5	200	1 : 1,1
TTB0509-1T			9	111	1 : 1,94
TSHT5.8-01			5	250	1 : 1,1	3 кВ DC
TTH0505-1T			5	200	1:1,1	6 кВ DC

ESD-защита USB

Одной из важнейших характеристик супрессора (помимо пиковой мощности и напряжения фиксации) при защите интерфейсов USB является паразитная емкость перехода Cj. Этот параметр не играет существенной роли в поглощении самого импульса, но при этом может оказать негативное влияние на качество передаваемого сигнала, особенно когда речь заходит о высоких скорости передачи данных и частоте (рисунок 7). В таблице 5 приведены рекомендуемые значения Cj для интерфейсов семейства USB.

Рис. 7. Значения скорости передачи данных

Таблица 5. Рекомендуемая емкость перехода супрессора в зависимости от применения

Компания SUNCOYJ предлагает несколько вариантов решений для защиты USB-интерфейсов различных версий. Один из них – защита линий данных сразу двух портов интерфейса USB 2.0 с помощью всего одного ESD-компонента (рисунок 8). В таблице 6 перечислены ESD-сборки производства SUNCOYJ в корпусе SOT23-6L.

Рис. 8. Типовой дизайн защиты сигналов D+, D- и питания (Vbus) интерфейса USB 2.0

Таблица 6. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) с малой емкостью перехода

Интерфейс USB версии 3.0/3.1/3.2 требует защиты трех дифференциальных линий (рисунок 9), при этом скорость передачи данных значительно выше чем у USB 2.0, что накладывает более жесткие требования к паразитной емкости супрессоров. В таблицах 7 и 8 приведены характеристики ESD-сборок SUNCOYJ в корпусе DFN2510.

Рис. 9. Типовая схема защиты линий данных интерфейса USB 3.0/3.1/3.2

Таблица 7. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) для USB 3.0

 Таблица 8. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) для USB 3.1/3.2/ Type-C

Эти же сборки подходят и для защиты USB Type-C (рисунок 10), который характеризуется наличием увеличенного числа линий данных.

Рис. 10. Защита интерфейса USB Type-C при помощи ESD-сборок SUNCOYJ

Производители качественных и надежных разъемов, необходимых для данных решений, представлены в таблице 9.

Таблица 9. Производители USB-разъемов

USB-разъемы	Производитель
Type A, B, C, micro, mini и прочие

Дополнительные материалы

1. Преобразователи USB-SERIAL производства WCH – доступная альтернатива FT232