Ist eine galvanische Trennung von Hi-Speed ​​USB nicht möglich?

Ich habe einen USB-Isolator, der die galvanische Trennung eines USB-Geräts von meinem PC ermöglicht, aber nur für USB mit niedriger und voller Geschwindigkeit funktioniert. Ich kann keine alternativen elektrischen Isolatoren finden, die eine Hochgeschwindigkeitsverbindung bieten. USB-Glasfaser-Extender werden jedoch mit einem Hochgeschwindigkeitsdurchsatz angeboten und sollten sowohl eine galvanische Trennung als auch eine hohe Bandbreite bieten, wenn auch möglicherweise zu höheren Kosten?

Gibt es eine praktische oder physikalische Einschränkung der Bandbreite eines galvanischen Isolators für USB? Handelt es sich um tatsächliche physikalische Gesetze, oder handelt es sich lediglich um eine technische Herausforderung oder ein Kostenproblem?

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Lassen Sie mich meine eigene Frage umformulieren:

USB-Isolatoren ohne Glasfaser kosten etwa 100 Euro, sind jedoch auf USB mit voller Geschwindigkeit beschränkt. Hochgeschwindigkeits-USB-Isolatoren gibt es nicht, daher gehe ich davon aus, dass sie nicht für 100 € hergestellt werden können, aber erheblich mehr kosten würden (1000 € - 10000 €). Zu einem solchen Preis gibt es keinen Markt, daher sind keine Hochgeschwindigkeits-USB-Isolatoren verfügbar.

Die Frage ist also: Was macht einen Hochgeschwindigkeits-USB-Isolator so viel teurer als einen Vollgeschwindigkeits-USB-Isolator? Gibt es eine physikalische Einschränkung des Ansatzes für Geräte mit voller Geschwindigkeit, die ihn für Geräte mit hoher Geschwindigkeit nicht anwendbar und / oder unerschwinglich macht?

Es gibt definitiv Gesetze des Marketings. :-)

Gigabit-Ethernet und 10G-Ethernet sind galvanisch getrennt. Offensichtlich ist dies mit der heutigen Technologie möglich und routinemäßig möglich.

Ein Glasfaser-USB-Extender funktioniert im Grunde ein bisschen wie ein Optokoppler, nur dass sich die Lichtquelle und der Lichtempfänger auf separaten Chips befinden. Die Kombination der Funktionen eines Faserverlängerers in einem einzigen Paket sollte billiger und nicht teurer sein. Die Verwendung einer magnetischen oder kapazitiven Kopplung anstelle einer optischen Kopplung sollte wieder billiger sein.

USB wird normalerweise für Kurzstrecken-Datenverbindungen (bis zu 5 m) verwendet, bei denen keine signifikanten Unterschiede im Erdungspotential bestehen und keine galvanische Trennung erforderlich ist.

Es gibt einige Anwendungen, z. B. medizinische oder geringe elektrische Störungen, die eine galvanische Trennung erfordern oder davon profitieren. Alle diese Anwendungen sind spezialisiert und die vorhandenen Faserverlängerungslösungen decken die Anforderungen an die galvanische Trennung vollständig ab. Darüber hinaus erfüllen drahtlose Lösungen wie Bluetooth, ZigBee usw. auch die Isolationsanforderungen (bei langsamen Geschwindigkeiten). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es für USB-Isolatoren wahrscheinlich keine große Marktnische gibt.

FWIW, ich habe vor einigen Jahren einen Faserverlängerer während der Entwicklungsarbeiten an einem Hochspannungsnetzteil verwendet. Ich brauchte nur die Isolierung, die Faser blieb auf der Bank aufgerollt.

Danke für die Links.

Bearbeiten: Was den Teil der Frage betrifft "Sind tatsächliche Gesetze der Physik beteiligt, ..." Nein, es gibt viele schnellere, galvanisch isolierte Kommunikationsverbindungen wie Gigabit-Ethernet, 10G-Ethernet und sogar drahtlose Lösungen.

"... oder ist das nur eine technische Herausforderung oder ein Kostenproblem?" Ja, ab 2018 ist die technische Herausforderung geringer als noch vor einigen Jahren, aber es wäre immer noch ein erheblicher Aufwand. Aber wer würde die Entwicklung solcher Lösungen finanzieren, wenn die Nachfrage sehr begrenzt erscheint?

Es gibt fertige isolierte Repeater-Chips für die USB-Übertragungsrate von 12 Mbit / s : ADuM4160 von Analog Devices oder LTM2884 von Linear Technology . Überraschenderweise enthalten beide induktive Kopplung = Miniatur-On-Chip-Signaltransformatoren als Kopplungselemente, die durch mit Silizium (CMOS?) Gepufferte Transceiver mit der Außenwelt verbunden sind. Ich frage mich, warum die Isolation heutzutage nicht optisch ist ...

Beachten Sie, dass 100Base-TX-Ethernet, SATA, PCI-e oder RS422 in beiden Richtungen ein symmetrisches Paar verwenden, das zusammen eine 4-Draht-Vollduplex-Verbindung umfasst. Gigabit- und 10-Gbit-Ethernet funktionieren so nur mit Glasfasern, denke ich.

Im Gegensatz dazu verwendet USB Low / Full / High-Speed ​​ein einzelnes symmetrisches Paar im Halbduplex-Modus, bei dem sich Host und Gerät abwechselnd auf dem Bus unterhalten und den Leitungstreiber nach Abschluss in drei Status versetzen müssen sprechen, um der anderen Partei eine Chance zu geben (etwas ähnlich wie RS485, obwohl viele elektrische und Rahmendetails unterschiedlich sind).

Jeder galvanische Isolator, einschließlich der oben genannten Chips, muss diesen halbduplexen richtungsumschaltenden Kommunikationsstil berücksichtigen. Ein einzelner Signalverkehr sollte theoretisch mit 12 Mbit / s arbeiten, mit Ausnahme der DC-Vorspannungswiderstände, und der Rahmen ist möglicherweise auch nicht "durchschnittlich frei von Gleichstromversatz", was es schwierig macht, nur einen passiven Verkehr zu verwenden. Dämpfung beiseite.

Vielleicht ist es genau diese Notwendigkeit für den aktiven Isolator, schnell genug "den Spieß umzudrehen", um das Ende der Übertragung überhaupt zu erkennen, was die Implementierung eines "dummen USB-Repeaters" mit 480 Mbit / s selbst im heutigen Silizium unpraktisch macht. Es gibt angeblich einige andere Änderungen an der elektrischen Schnittstelle für Hochgeschwindigkeits-USB 2.0 (Konstantstromsignalisierung), die ein weiterer Faktor sein können, warum sich Hochgeschwindigkeits-USB nicht einfach für diese Art von 485-RX / TX-Umschaltung in einem eignet dummer Repeater.

Beachten Sie, dass es einen alternativen Ansatz für das Problem der "Richtungsumschaltung" gibt: Anstatt ein High-Z auf der Leitung auf analoge Weise zu erkennen, was eine gewisse inhärente Latenz (Verzögerung) mit sich bringt, müsste der Isolator nur das USB-Protokoll verstehen wie ein USB-Hub - damit er weiß, wann ein Ende des aktuell empfangenen Frames zu erwarten ist. Und möglicherweise werden ganze Frames gepuffert, bevor sie auf die andere Seite weitergeleitet werden - genau wie bei einem USB-Hub. (Oder doch?) Tatsächlich müsste der Isolator ein USB-Hub werden, mit einer Isolationslücke irgendwo drin.

Es ist für mich etwas überraschend, dass es keine isolierten Repeater im Hub-Stil gibt. Möglicherweise, weil ATMEL und Freunde Hubs bilden und Analog oder Linear (oder Avago?) Isolatoren herstellen, aber die beiden Banden vermischen sich nicht ...

Das Problem des Transports der hohen Bitrate über eine Isolationslücke sollte nicht allzu schwierig sein - dennoch scheint selbst dieser Bereich überraschend "unterentwickelt" zu sein oder eine Art Lücke zu haben. 10-Gbit-Ethernet über Glasfaser gibt es schon seit Jahrenmit bitweisen Basisband-SERDES (Bitstrom), die von einem "Laser" (mindestens einem VCSEL) gesendet und von einer Fotodiode empfangen werden. Die DIL-verpackten Optokoppler haben jedoch kaum 50 Mbit / s erreicht. Woher kommt die Lücke? Nun, es scheint mir, dass die Leute, die die DIL-Optokoppler herstellen, auf relativ langsame LED-Quellen und Fototransistorempfänger angewiesen sind. Während die Leute, die Fasern herstellen, ihre VCSELS und Fotodioden für die Kopplung an eine Faser geeignet machen - mit einstellbarem Vorspannungsstrom, mit einer lokalen Rückkopplungsdiode, die auf den VCSEL geschnallt ist usw. Anscheinend kam niemand auf die Idee, einen Elektro-Elektro-Fotokoppler daraus zu bauen diese hochwertigen Teile. Beachten Sie, dass das fasergekoppelte Gigabit-Zeug normalerweise eine Wechselstromkopplung an den elektrischen Schnittstellen verwendet, aber das sollte kein großes Problem sein.

Vielleicht ist es für mich nur eine konservative Sicht der Branche auf die alte Schule. Vielleicht ist die Gigabit-Technologie mit hoher Bandbreite bereits in eine neue Ära eingetreten, in der Sie nur mit standardisierten Bussen und Schnittstellen spielen können, und es macht keinen Sinn, diskrete Komponenten in die Lage zu versetzen, eine blöde einfache Logik 1/0 auf ein einzelnes Signal zu übertragen . Vielleicht ist dies nur mein dinosaurierartiger Gedanke, dass man solche Dinge immer noch zusammen hacken kann. Die moderne GHz-Ära scheint die Messlatte gegen gelegentliche Hacker mit einem Lötkolben "höher zu legen". Das Hacken von Elektronik ist zu einer Angelegenheit geschlossener Labors mit teuren Geräten geworden, die nur großen, branchenführenden Anbietern zur Verfügung stehen. Es ist ein geschlossener Club. Von nun an können Sie nur noch Software oder triviales Antennenmaterial hacken.

Signaltransformatoren sind anscheinend nur in niedrigen Hunderten von MHz gut. 1000Base-TX und insbesondere 10GBase-TX erfordern große Listmodulation, um die Daten auf symmetrischen Vollduplex-pro-Paar-Spuren in viele "Bits pro Symbol" zu zerlegen, und zwar auf Kosten der leistungshungrigen DSP-Verarbeitung für die gesamte Modulation / lokale Echokompensation / Vorentzerrung ... nur um in eine Bandbreite von etwa 200 MHz zu passen, die über die "Magnetics" (Signaltransformatoren) verfügbar ist. Wenn Sie sich für TV-Antennentechnologie interessieren, haben Sie möglicherweise bemerkt, dass galvanische Isolatoren im oberen Bereich, z. B. 500-800 MHz und höher, streng kapazitiv sind. Unabhängig davon, für welches Kernmaterial Sie sich entscheiden, sind induktive Transformatoren bei diesen Frequenzen einfach nicht gut.

Am Ende ... weißt du was? USB3 scheint separate Übertragungsleitungen mit symmetrischen Paaren zu verwenden: ein Paar für TX, ein Paar für RX. Fühlt sich an wie nach Hause zu kommen.

Es tut uns leid.

Wörtlich antworten: Nein, heutzutage gibt es keine Einschränkung mehr.

Praktische Lösungen <400 $ sind noch selten. Dies ist wieder etwas Physisches oder eher Elektronisches, nicht nur Marketing und Massenproduktion.

Vor einigen Jahren war VCSEL jedoch viel zu teuer, und das Parallelisieren erhöht auch die Isolationskosten und hat aufgrund der erhöhten Verzögerung inhärente Protokollprobleme (wir waren froh, als USB von einem nutzlosen seriellen Bus auf etwas mit einer gewissen Zuverlässigkeit umgestellt wurde).

Selbst 2015/16 ist die Bitrate der handelsüblichen digitalen Isolator-ICs nach meinen Erkenntnissen auf 150 Mbit / s begrenzt. Ich habe nur eine Firma gefunden, siehe unten, die einen USB2 480MBit / s-Chip anbietet.

Schauen Sie sich einfach das zugrunde liegende Prinzip des iCoupler von AD an. Sie verwenden Impulsfolgen mit Impulsbreiten von 1 ns und rekonstruieren die ursprünglichen Impulse durch diesen gut digitalisierten Ansatz mit einer übertragbaren Bitrate von bis zu 150 Mbit / s, was für USB2-Hochgeschwindigkeit oder USB3 nicht ausreicht.

Das Schöne an ADs Icoupler ist, dass sie Energie übertragen können, um die Sekundärseite mit Strom zu versorgen (nicht viel, aber immer noch ...), und viele ihrer Chips haben z. B. RX, TX und eine Power-Spule. Sie müssen lediglich einige Kondensatoren hinzufügen. Das Warten lohnt sich also.

Corning verwendet echte Glasfasertechniken mit VCSEL-Lasern als Emitter (war schon immer eine physikalisch tragfähige Sache, obwohl es bis vor kurzem keinen erschwinglichen Weg gab).

Zumindest Corning optische USB3.0-Kabel sind erschwinglich, 110 $ für die 10m-Version. Möglicherweise benötigen Sie anschließend einen USB3-Hub mit Stromversorgung für stromhungrige Clients (wenn Sie mehr als 200 mA benötigen, aber Corning sagt, dass er "keinen Strom" übertragen würde). Und Sie haben möglicherweise Pech (oder eine geringe Zuverlässigkeit) für einige Setups. Seien Sie bereit, es zurückzudrehen.

Manchmal bekommen wir Informationen von Patenten. Aber jemand müsste Lizenzgebühren für die Nutzung zahlen, wenn nicht der Eigentümer. Ich habe eine von silanna.com, australische Chip-Firma, gefunden, siehe Google-Patente, WO2015104606A1. Aha, ihre USB2 Silicon on Saphire-basierte kapazitive Isolator-basierte USB2-Hochgeschwindigkeitslösung ist erhältlich: http://www.silanna.com/usb.html Wir warten also auf eine Prototyping-Karte mit hocheffizienter DC-DC-Isolation Sie behaupten, daran zu arbeiten.

Sie könnten sicherlich argumentieren, dass alle Laser abgenutzt sind, Kondensatoren ihre Fallstricke haben usw. Und deshalb verwendet AD unter anderem eine magnetische Kopplung, wie z. B. die Ablehnung von Common Rail. Siehe http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Dort müssen Sie die Isolationsdicke gegen die übertragbaren Bandbreiten abwägen. Warten wir, bis sie 5 GBit / s erreicht haben, was bedeuten würde, dass sie akzeptablen Jitter haben. Intern müssten sie etwa 20..30 Gpuls / s senden, wenn sie die Icoupler-Technik wiederverwenden würden ...

Hoffe, ich habe jetzt mehr zu den Literalen der Frage geliefert ...

Für mich werde ich den Corning kaufen, aber mein eigenes DC-DC-isoliertes Netzteil hinzufügen, um USB zu haben, um meine digitale analoge Entdeckung 2 ohne zusätzliche (Wand-) Stecker mit Strom zu versorgen. Da einige optische Kabel als nicht USB2-kompatibel gemeldet werden, müsste nach dem Corning möglicherweise ein kleiner (1-Port-) USB-Hub platziert werden. Zusammen macht dies den Ansatz vorerst ungeschickt und ein Patchwork aus 3 Modulen.

Dein Andi

Es ist erwähnenswert, dass die Datenrate von Gig Ethernet zwar viel höher ist als die von USB2-Hochgeschwindigkeit, jedoch alle 4 Paare des cat5-Kabels verwendet, um dies zu erreichen. Außerdem wird ein Modulationsschema mit mehreren Pegeln (PAM5) verwendet, um die elektrische Signalisierungsrate für jedes Paar ungefähr gleich 100baseT zu halten, nämlich etwa 25 MHz, was die Transformatoren gut handhaben.

USB verwendet nur zwei Ebenen, daher entspricht hier die Signalisierungsrate der Datenrate. Die volle Rate von 12 MBit / s entspricht der Hälfte der Signalisierungsrate von Gbit-Ethernet und ist erreichbar. Die Konvertierung von 480 Mbit / s mit einfacher Binärdatei ist eine Aufgabe für die Optik oder eine cleverere Lösung, z. B. das Parallelisieren der USB-Daten und das Konvertieren dieser Daten mit einer geringeren Rate. Das ist nicht meine Idee. Ich habe es vor einigen Wochen vorgeschlagen.

Es gibt tatsächlich viele Multimedia-Setups, Soundkarten, bei denen Probleme auftreten, wenn sowohl Audio- als auch Daten- und Stromanschlüsse vorhanden sind. Prof 'Bühnenaufbauten mit USB-Soundkarten stellen Probleme dar, wenn mehrere Tastaturen über USB an denselben PC angeschlossen sind und auch Audio- und Strommasse gemeinsam nutzen. Normalerweise müssen wir das Audio isolieren, aber selbst dann kann es über die USB- und Stromanschlüsse zu Rauschen auf den eigenen Audiogeneratoren des Geräts kommen. Hoffe das hilft zu verstehen.