Apakah isolasi galvanik USB Hi-speed tidak mungkin?

Saya memiliki isolator USB yang menyediakan isolasi galvanik perangkat USB dari PC saya, tetapi hanya berfungsi untuk USB kecepatan rendah dan kecepatan penuh. Saya tidak dapat menemukan isolator listrik alternatif yang menyediakan koneksi Hi-speed; Namun, ekstender serat USB ditawarkan dengan kecepatan tinggi dan harus menyediakan isolasi galvanik dan bandwidth tinggi, meskipun mungkin dengan biaya lebih tinggi?

Apakah ada batasan praktis atau fisik pada bandwidth isolator galvanik untuk USB? Apakah hukum fisika aktual terlibat, atau ini hanya tantangan teknis atau masalah biaya?

Edit

Biarkan saya ulangi pertanyaan saya sendiri:

Isolator USB non-serat berharga sekitar € 100 tetapi terbatas pada USB kecepatan penuh. Isolator USB berkecepatan tinggi tidak ada, jadi saya berasumsi mereka tidak dapat dibuat untuk € 100, tetapi biayanya lebih mahal (€ 1000? € 10.000). Pada harga seperti itu, tidak ada pasar, sehingga tidak ada isolator USB berkecepatan tinggi yang tersedia.

Jadi pertanyaannya adalah ini: Apa yang membuat isolator USB kecepatan tinggi jauh lebih mahal daripada isolator USB kecepatan penuh? Apakah ada batasan fisik untuk pendekatan yang digunakan untuk perangkat berkecepatan penuh yang membuatnya tidak dapat diterapkan dan / atau biaya mahal untuk perangkat berkecepatan tinggi?

Jelas ada hukum pemasaran yang terlibat. :-)

Gigabit Ethernet dan 10G-Ethernet memiliki isolasi galvanik. Jadi, jelas itu mungkin dan secara rutin dilakukan dengan teknologi saat ini.

Extender serat optik USB pada dasarnya bekerja sedikit seperti coupler-opto kecuali bahwa sumber cahaya dan penerima cahaya pada chip yang terpisah. Menggabungkan fungsi fiber extender ke dalam satu paket harus lebih murah, bukan lebih mahal. Menggunakan kopling magnetik atau kapasitif bukan kopling optik harus lebih murah lagi.

USB biasanya digunakan untuk koneksi data jarak pendek (hingga 5 m) di mana tidak ada perbedaan potensial potensial di tanah dan isolasi galvanik tidak diperlukan.

Ada beberapa aplikasi, misalnya kebisingan medis atau listrik rendah, yang memerlukan atau mendapat manfaat dari isolasi galvanik. Semua aplikasi tersebut adalah khusus dan solusi fiber extender yang ada sepenuhnya memenuhi persyaratan isolasi galvanik. Selain itu, solusi nirkabel seperti Bluetooth, Zigbee, dll juga memenuhi persyaratan isolasi (pada kecepatan lambat). Sebagai kesimpulan, mungkin tidak banyak ceruk pasar untuk isolator USB.

FWIW, saya telah menggunakan fiber extender beberapa tahun yang lalu selama pengembangan pada sub-sistem catu daya tegangan tinggi. Saya hanya perlu isolasi, serat tetap melingkar di bangku.

Terima kasih atas tautannya.

Sunting: Adapun bagian dari pertanyaan "Apakah hukum fisika aktual terlibat, ..." Tidak, ada banyak tautan komunikasi yang lebih cepat dan terisolasi secara galvanis seperti Gigabit Ethernet, 10G Ethernet dan bahkan solusi nirkabel.

"... atau ini hanya tantangan teknik atau masalah biaya?" Ya, pada 2018, tantangan teknik kurang dari beberapa tahun yang lalu, tetapi masih akan menjadi upaya yang signifikan. Tetapi siapa yang akan mendanai pengembangan solusi semacam itu jika permintaan tampak sangat terbatas?

Ada chip repeater terisolasi siap pakai untuk transfer rate USB 12Mbps: ADuM4160 oleh Analog Devices atau LTM2884 oleh Linear Technology . Anehnya bagi saya, keduanya mengandung kopling induktif = miniatur transformator sinyal on-chip sebagai elemen kopling, dihubungkan ke dunia luar oleh transceiver buffered silikon (CMOS?). Membuat saya bertanya-tanya mengapa isolasi tidak optik hari ini ...

Perhatikan bahwa 100Base-TX Ethernet, SATA, PCI-e atau RS422, semua menggunakan pasangan seimbang di kedua arah, bersama-sama terdiri dari tautan dupleks penuh 4-kawat. Gigabit dan 10Gb Ethernet berfungsi seperti itu hanya pada serat optik.

Sebaliknya, USB rendah / penuh / kecepatan tinggi menggunakan pasangan seimbang tunggal, dalam mode setengah dupleks, di mana host dan perangkat bergiliran berbicara di bus, dan harus melakukan tri-state driver garis ketika mereka selesai berbicara, untuk memberikan kesempatan kepada pihak lain (agak mirip dengan RS485, meskipun banyak detail listrik dan framing berbeda).

Isolator galvanik apa pun, termasuk chip yang disebutkan di atas, harus menghormati gaya komunikasi pengalihan arah setengah dupleks. Satu trafo sinyal secara teoritis seharusnya bekerja pada 12 Mbps, kecuali untuk resistor biasing DC, dan pembingkaian mungkin juga tidak "bebas dari offset DC", sehingga sulit untuk hanya menggunakan trafo pasif. Di samping pelemahan.

Mungkin justru inilah kebutuhan isolator aktif untuk "membalikkan meja" dengan cukup cepat, untuk mendeteksi akhir transmisi, yang membuat implementasi "pengulang USB bodoh" pada 480 Mbps tidak praktis, bahkan pada silikon saat ini. Seharusnya ada beberapa perubahan lain pada antarmuka listrik untuk USB 2.0 berkecepatan tinggi (pensinyalan arus konstan) yang mungkin menjadi faktor lain mengapa USB berkecepatan tinggi tidak mudah menyesuaikan diri dengan jenis RX / TX switching 485 gaya dalam repeater bodoh.

Perhatikan bahwa ada pendekatan alternatif untuk masalah "pengalihan arah": daripada mendeteksi Z-tinggi pada saluran dengan cara analog, yang membawa beberapa latensi yang melekat (lag), isolator harus memahami protokol USB, hanya seperti hub USB tidak - sehingga ia akan tahu kapan mengharapkan akhir dari frame yang sedang diterima. Dan mungkin, itu akan buffer seluruh frame, sebelum menyampaikannya ke sisi lain - seperti hub USB. (Atau apakah itu?) Efektif isolator harus menjadi hub USB, dengan celah isolasi di suatu tempat di sana.

Agak mengejutkan bagi saya, bahwa tidak ada repeater terisolasi hub-style. Mungkin karena ATMEL dan teman-temannya membuat hub, dan Analog atau Linear (atau Avago?) Membuat isolator, tetapi dua geng tidak bercampur ...

Masalah mengangkut bitrate tinggi pada celah isolasi seharusnya tidak terlalu sulit - namun bahkan area ini secara mengejutkan tampak "kurang berkembang", atau sepertinya mengalami semacam celah. 10Gb Ethernet over fiber telah ada selama bertahun - tahun, dengan SERDES base-band bitwise (bitstream), ditransmisikan oleh "laser" (setidaknya VCSEL) dan diterima oleh fotodioda. Namun opto-coupler DIL-dikemas hampir tidak mencapai 50 Mbps. Dari mana jeda itu? Yah menurut saya orang-orang yang membuat DIL opto-coupler mengandalkan sumber LED yang relatif lambat dan penerima foto-transistor. Sementara orang-orang yang membuat barang serat membuat VCSELS dan fotodioda mereka cocok untuk digabungkan ke serat - dengan arus bias yang dapat disesuaikan, dengan dioda umpan balik lokal yang diikat ke VCSEL dll. Rupanya tidak ada yang mendapat ide untuk membuat mesin fotokopi dari listrik ke listrik dari bagian bermutu tinggi. Perhatikan bahwa hal-hal gigabit serat-digabungkan biasanya menggunakan kopling AC pada antarmuka listrik, tetapi itu seharusnya tidak menjadi masalah besar,

Mungkin itu hanya pandangan sekolah-tua konservatif tentang industri, di pihak saya. Mungkin teknologi bandwidth tinggi gigabit telah pindah ke era baru, di mana Anda hanya dapat bermain dalam hal bus dan antarmuka standar, dan tidak ada gunanya membuat komponen diskrit yang mampu mentransfer logika sederhana bodoh 1/0 pada satu sinyal . Mungkin ini hanya gaya dinosaurus saya yang berpikir bahwa Anda masih dapat meretas hal-hal bersama seperti itu. Era GHz modern tampaknya "meningkatkan standar" terhadap peretas kasual dengan besi solder. Peretasan elektronik telah menjadi masalah laboratorium tertutup dengan peralatan mahal, hanya tersedia untuk vendor industri terkemuka. Itu klub tertutup. Mulai sekarang, yang bisa Anda peretas hanyalah perangkat lunak, atau mungkin beberapa hal antena sepele.

Transformer sinyal tampaknya hanya bagus hingga ratusan MHz yang rendah. 1000Base-TX dan khususnya 10GBase-TX berusaha keras modulasi licik untuk memeras data menjadi banyak "bit per simbol", pada jalur seimbang dupleks-per-pasangan penuh, dengan biaya pemrosesan DSP yang haus daya untuk semua modulasi / pembatalan gema lokal / pra-penyamaan ... hanya untuk menyesuaikan di dalam mungkin 200 MHz bandwidth yang tersedia melalui "magnetics" (transformer sinyal). Jika Anda menggunakan teknologi antena TV, Anda mungkin telah memperhatikan bahwa pada kisaran atas, katakanlah 500-800 MHz ke atas, isolator galvanik benar-benar kapasitif. Tidak peduli apa bahan inti yang Anda pilih, transformator induktif tidak bagus pada frekuensi tersebut.

Pada akhirnya ... Anda tahu? USB3 tampaknya menggunakan saluran transmisi pasangan seimbang yang terpisah: satu pasang untuk TX, satu pasang untuk RX. Rasanya seperti pulang ke rumah.

Maaf.

Menjawab secara harfiah: tidak, saat ini tidak ada batasan lagi.

Masih solusi praktis <$ 400 jarang terjadi. Ini adalah sesuatu yang fisik atau lebih tepatnya desain elektronik, tidak hanya pemasaran dan volume produksi.

Tetapi beberapa tahun yang lalu VCSEL adalah cara yang mahal, dan memparalelkan juga menaikkan biaya isolasi dan memiliki masalah protokol yang melekat karena peningkatan penundaan (kami senang ketika USB beralih dari bus serial yang tidak berguna ke sesuatu dengan keandalan).

Bahkan 2015/16 bit rate IC isolator digital off-the-shelf terbatas, hingga 150Mbit / dt untuk temuan saya. Saya hanya menemukan satu perusahaan, lihat di bawah, menawarkan chip USB2 480MBit / s.

Lihat saja prinsip yang mendasari iCoupler AD. Mereka menggunakan kereta pulsa dengan lebar pulsa 1ns, dan merekonstruksi pulsa asli dengan pendekatan digitalisasi ini, dengan bit rate yang dapat ditransfer hingga 150Mbit / s, yang tidak cukup bandwidth untuk kecepatan tinggi USB2 atau USB3.

Hal yang menyenangkan dari icoupler AD adalah bahwa mereka dapat mentransfer energi untuk menyediakan sisi sekunder dengan kekuatan (tidak banyak, tetapi masih ...), dan banyak dari chip mereka misalnya RX, TX dan Power coil. Yang harus Anda lakukan adalah menambahkan beberapa kapasitor. Jadi penantian akan bernilai sementara.

Corning menggunakan teknik serat optik sejati dengan VCSEL Laser sebagai penghasil emisi (selalu merupakan hal yang layak secara fisik meskipun belum ada cara yang terjangkau untuk digunakan hingga saat ini).

Setidaknya kabel optik USB3.0 corning terjangkau, $ 110 untuk versi 10m. Anda mungkin memerlukan hub USB3 bertenaga setelahnya untuk klien yang haus daya (jika Anda membutuhkan lebih dari 200mA atau lebih, tetapi corning mengatakan akan mentransfer "tidak ada daya"). Dan Anda mungkin memiliki nasib buruk (atau keandalan rendah) untuk beberapa pengaturan, bersiaplah untuk mengubahnya kembali.

Terkadang kami mendapat info dari paten. Tetapi seseorang harus membayar biaya lisensi untuk menggunakannya, jika bukan pemiliknya. Saya menemukannya oleh silanna.com, perusahaan Chip Australia, lihat paten google, WO2015104606A1. Aha, USB2 Silicon pada Saphire kapasitif isolator berbasis USB2 solusi berkecepatan tinggi keluar: http://www.silanna.com/usb.html Jadi kami menunggu papan prototipe dengan efisiensi tinggi DC-DC-isolasi termasuk, seperti mereka mengaku sedang bekerja.

Anda pasti bisa berargumen bahwa semua laser aus, kapasitor memiliki perangkap mereka, dll ... Dan inilah mengapa AD menggunakan kopling magnetik, di antara alasan lain seperti penolakan rel umum. Lihat http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/frequently-asked-questions/icoupler_faq.pdf Di sana Anda harus menukar ketebalan isolasi dengan bandwidth yang dapat ditransmisikan. Mari kita tunggu mereka untuk mengejar ketinggalan dengan 5GBit / s, yang berarti, untuk memiliki jitter yang dapat diterima, secara internal mereka harus mengirimkan seperti 20..30Gp / s, jika mereka akan menggunakan kembali teknik icoupler ...

Semoga saya sekarang telah menyampaikan lebih banyak ke literal dari pertanyaan ...

Bagi saya, saya akan membeli corning, tetapi akan menambahkan catu daya DC-DC saya sendiri yang terisolasi untuk memiliki USB untuk memberi daya pada penemuan analog 2 saya yang penuh energi, tanpa colokan tambahan (dinding). Karena beberapa kabel optik dilaporkan tidak kompatibel dengan USB2, mungkin beberapa USB Hub (1 port) kecil harus ditempatkan setelah corning. Bersama-sama, untuk saat ini, ini membuat pendekatan menjadi canggung dan tambal sulam 3 modul.

Hormat saya, Andi

Perlu dicatat bahwa meskipun kecepatan data Gig Ethernet jauh lebih tinggi daripada kecepatan tinggi USB2, pada kenyataannya ia menggunakan semua 4 pasang kabel cat5 untuk mencapai ini. Selain itu, ia menggunakan skema modulasi dengan beberapa level (PAM5) untuk menjaga laju pensinyalan listrik pada setiap pasangan kira-kira sama dengan 100baseT, yaitu sekitar 25Mhz, yang ditangani dengan baik oleh transformator.

Usb hanya menggunakan bi-level, jadi di sini laju pensinyalan sama dengan laju data. Kecepatan penuh 12mbits / detik adalah setengah dari laju pensinyalan Gbit Ethernet, dan dapat dicapai. Konversi 480Mbit / detik dengan biner sederhana adalah tugas untuk optik, atau solusi yang lebih licik seperti memparalelkan data usb dan mengonversinya dengan kecepatan yang lebih rendah. Ini bukan ide saya, .. saya melihatnya diusulkan beberapa minggu lalu.

Sebenarnya ada banyak pengaturan multimedia, kartu suara yang memiliki masalah di mana ada koneksi audio, data dan daya. Pengaturan panggung Prof 'dengan kartu suara USB menghadirkan masalah di mana banyak keyboard tersambung ke PC yang sama melalui USB, dan juga berbagi alasan audio dan daya. Biasanya kita harus mengisolasi audio, tetapi itupun bisa mendapatkan kebisingan pada perangkat sendiri dengan generator audio melalui usb dan koneksi daya. Semoga ini bisa membantu mengerti.