Skydda/Isolera USB-dataledningar

[Klas-Kenny]

Har ett intrikat problem, där jag vill ha möjligheten att skydda ett USB-datapar mot överspänning, behöver överleva att man kopplar på 36V vid en felkoppling (kommer inte sitta i någon normal USB-kontakt).

Skulle gärna vilja ha möjligheten att köra High-speed (480Mbit), så där går traditionella galvaniska isolatorer bort. Jag har inte hittat någon som klarar mer än full-speed. Dessutom får det inte bli extremdyrt, över typ 50:- känns inte kul. Har även lite smått begränsad yta, men det går alltid att klämma in "lite till"...
Sen behöver jag inte kunna använda USB'n då den är skyddad, utan det är helt OK om man måste inaktivera skyddet, för att använda USB'n.

Jag tänkte lite i dessa banor, med ett par MOSFET'ar:

usbprot.PNG

Men ett praktiskt prov har visat att det inte är helt trivialt. Schemat enligt ovan fungerade inte alls med de transistorer jag provade (FDV304P), men när jag kortslöt gate-motståndet på 10k så gick det åtminstone att enumrera devicen som full-speed, men inte high-speed. Och vet inte om det faktiskt skulle fungera att köra något sen utöver enumereringen.
Provade även att köra med N-kanal istället (2N7002), det fungerade lite bättre. Kopplade då gate genom 10k till 5V istället för att släppa igenom data. Då kunde jag faktiskt enumerera en device på high-speed. Men sen provade jag med en annan device, fungerade inte. Så är väl på gränsen. Kanske skulle det fungera med transistorer med mindre kapacitans..?


Finns ju en rad komponenter som är gjorda för just att switcha USB-signaler. Men inga av dessa som jag har hittat tål över typ 5V.
En tråkig lösning vore ju ett litet signalrelä. Men blir klumpigt och inte minst, mekaniskt. Något jag gärna undviker.. Drar ganska mycket ström också.

Fler tips och idéer?

[Klas-Kenny]

Kanske skulle man kunna sätta seriemotstånd på dataledningarna, typ 100 ohm?
Och sen en zenerdiod eller transientskydd.

Edit efter test: Verkar inte fungera med 100 ohm i serie...

[psynoise]

Vilken utresistans har 36 V:n?

[grym]

kolla på saker för skydda ethernet
ex transistentskyddsdioder, och annvända lågohmiga motstånd som säkringar

[xxargs]

Du hanterar signalering med flanker på sub-nanosekunder och frekvenser över GHz när du kör med highspeed (480 Mbit/s) - det gör att man måste tänka radio och transmissionsteori i designen så fort man försöker med lösningar utanför det redan beprövade byggblocken.

hur en signalerings-ögondiagram kan se ut för Highspeed kan du se direkt (eller rullar en bit) i följade länk - http://compliance.usb.org/index.asp?Upd ... ectrical#7

Med andra ord går det snabbt som fasen vilket innebär kontroll på impedanserna hela vägen och tex kapacitanser i eventuella skyddsdioder får inte vara stora för då ger de för stor impedanshopp och det börja bli reflexer i systemet.

en skyddsteknik med dioder kan man se i https://www.silabs.com/documents/public ... AN0046.pdf men förutsätter då att strömförsörjningsdelen i USB-apparaten kan svälja all ström baklänges utan att spänningen ökar på 5 Volt med strömmen som kommer från felkopplad 36 Volt - dvs att din 36V har en anständigt fungerande strömbegränsning så att spänningen blir väldigt mycket lägre när det drar några 10-tals mA eller så.

det trista med USB2 är att den fortfarande tänker som med RS232 med DC-nivåer på signaleringen och inte medger AC-koppling och flytande spänning, medans USB3 kör med annan kanalkodningar som i teori skulle kunna transporteras över trafo eftersom kanalkodningen (8b/10b) är liknande som har använts över ethernet - men gissar att kravet med bakåtkompatibilitet fortfarande kräver DC-signalering för att prata upp sig till rätt protokoll-nivå åtminstone vid starten...

kanalkodning innebär att genomsnittsvärdet av tex. 1 och -1 (för hög och låg) är '0' (utbalanserat) efter ett viss antal bitar (DC-neutral kodning), detta för att kärnan i en (ethernet) trafo inte skall bli mättad och börja strömrusa eller en kondensator i serie skall bli så uppladdad att den inte längre förmedlar signaleringen vid vissa bitsekvenser och är ett villkor för lyckad AC-signalering utan DC-signalering. till detta för att minska sannolikheten med för många '1' eller '-1' i rad så brukar informationen som överförs också scramblas för att få slump och brusliknande egenskaper - också för att underlätta när man senare skall CE-godkänna och inte avge EMI som har diskreta frekvenser med för hög nivå - dvs. det görs spreadspektrum på signaleringen

[Klas-Kenny]

36V är att betrakta som nära 0ohm, i princip ingen strömbegränsning.

Usecaset är att skydda mot felkoppling, användaren ska kunna koppla 24V fordonsbatteri (det är alltså egentligen bara 24V det måste tåla, men så lite marginal på det) och då kunna råka koppla fel.
Kan kanske antas sitta en säkring på 10-15A mellan, men inte mindre än så.

[xxargs]

Då blir det svårt när det inte är AC-kopplat på ingångarna... - när det är felkopplad så misstänker jag att det heller inte finns någon intern spänning inne i apparaten vilket gör att lösningar med strömgeneratorer heller inte fungerar...

Du kan inte köra med Ethernet istället?? - de är designade för att köras med trafo per default för att bryta galvanisk koppling mellan enheterna, medans USB (som med Higspeed inte är tänkt att mer än max 3 meter kabel) är inte designad att kunna skyddas med trafo och det som är kvar är synnerligen kostsamma lösningar via optokopplare (det blir dyrt om man skall hålla på med frekvenser över 1 GHz i bandbredd med optokopplare...) - och allt beror på att den inte kan AC-kopplas i sin signalering...

[grym]

som sagt motstånd som säkring, 2-5 ohm, skyddsdioder, är man ex orolig över spänningen på 5v kan man clampa den med zener i sig, med lagom konding över så är det inga problem med hastigheten på den

motstånden kommer gå sönder och vara jobbiga att byta men är det ok?

[xxargs]

Säkringsmotstånd var ganska vanlig lösning tex. på telefonlinjedelar.

I skisserna i min inlänkade PDF så hade man 15 Ohm i serie med dataledarna - det kan man sätta nära front-uttaget och diodskydden efter in mot USB-chippet (och en TVS-diod på 5V matningen) - dock kanske motstånden måste selekteras så att de inte är av den spiralskurna typen (är det gäller lasertrimmade metallfilmsmotstånd) och helst bör det nog vara av ytmonterad typ för att klara höga frekvenskomponenter i datakommunikationen, är bättre anpassad impedansmässigt mot kretskortens jordplan och är mer naturligt i linje med microstripen som leder datat från USB-intaget till USB-kretsen.

Klassiska benmotstånd har en inte allt för oväsentlig induktans i sina ben som kan göra det knepigt att få det att fungera då frekvenskomponenter kan vara över 2 GHz i datakommunikationen vid High-speed på USB2.

Impedans på microstrippen som går mellan USB-intaget och USB-kretsen skall designas för ca 100 Ohm mellan sitt ledarpar - se till att det är ej bruten jordplan på lagret under hela vägen efter microstrip-paret mellan USB-kontakt och USB-shippet - för arrangemanget är nämligen en transmissions-ledare precis som 'lanes' för PCIe ledare till kort och massminne som M.2-SSD

[Willow]

Kanske den här?

MAX22505

Key Features
Robust Communications
Integrated ±50V dc Protection for VBUS/GND
Integrated ±40.7V dc Protection for D+/D-
Thermal Shutdown Protected
-40°C to +105°C Operating Temperature
High Performance
High (480Mb), Full (12Mb), and Low (1.5Mb) Speed Capable
3.0V to 5.5V Supply Voltage

https://www.maximintegrated.com/en/prod ... 22505.html

[Klas-Kenny]

Willow: Wow, tack!
Den hade jag inte sett. Ser ju ut att göra exakt det jag behöver och mer därtill.
Verkar ju som att den är konstruerad i grunden ungefär som jag tänkte, men med lite mer omsorg runt det hela så att det faktiskt fungerar bra. Och tillagd funktion för att skydda hela tiden.

Digikey tar ca 3USD i volym, for nog ses som helt okej.