isolateur USB 2.0 - Isolation éléctrique pour les périphériques USB

Dans la plupart des cas, la connexion de périphériques à un PC ne pose pas de problème. Le fait qu'une clé USB, par exemple, ait le même potentiel de masse qu'un ordinateur portable ne pose guère de problème. Mais lorsqu'il s'agit d'appareils de mesure connectés par USB, la situation est différente. Dans ce cas, l'isolation électrique protège le PC des tensions potentiellement dangereuses. L'isolation permet également d'éviter les boucles de masse. Des puces spécifiques sont disponibles à cet effet. Le circuit présenté ici utilise une telle puce pour assurer l'isolation électrique d'une connexion USB.
Autrefois, les systèmes de GPIB permettaient la gestion de plusieurs appareils dans les configurations de tests automatiques, alors que de nos jours, cette fonction est souvent assurée par l’USB. Cependant, les problèmes de boucles de masse demeurent persistants. Le GPIB disposait de dispositifs d’isolation électrique pour séparer l’unité de contrôle, généralement un ordinateur, des instruments de mesure et des générateurs auxquels il était connecté. Malheureusement, la transition vers l’USB n’a pas résolu ce problème. L’existence d’une connexion de masse entre les appareils permet souvent que des interférences provenant du PC perturbent les périphériques connectés.

Puces d’isolation

Un isolateur USB permet d’éliminer la connexion à la masse en ne transmettant que les signaux numériques. Pour la norme lente USB 1.1, des circuits intégrés d’Analog Devices ainsi que des cartes pré-équipées sont disponibles à des prix abordables sur des plateformes comme eBay. Toutefois, pour obtenir des taux de transfert de données satisfaisantes, au moins une connexion USB 2.0 est désormais nécessaires. Des dispositifs adaptés à cette norme sont aussi disponibles sur le marché, mais ils se révèlent souvent onéreux. Alors que les coûts pour l’USB 1.1 se situent entre 10 et 20 €, ceux pour l’USB 2.0 atteignent souvent plusieurs centaines d’euros. Dans ce cas, construire son propre isolateur peut représenter une économie substantielle.Des puces adaptées à l’USB 2.0, telles que les ADUM4165 et ADUM4166 d’Analog Devices, ainsi que l’ISOUSB211 de TI, ont été développées pour faciliter la création d’isolateurs USB à moindre coût, ces composants étant disponibles pour moins de 10 €. Intrigué par ces circuits intégrés, j’ai acquis une carte d’évaluation de l’ADUM4166 et l’ai testée avec succès sur une clé USB et un disque dur externe. Malheureusement, le contrôle d’un ancien analyseur audio Audio Precision 2422 avec une interface USB externe n’a pas fonctionné du tout. De même, avec l’analyseur QA403 de QuantAsylum, le contrôle était intermittent. Le support technique d’Analog Devices a confirmé le problème et a également signalé que d’autres appareils semblaient également être affectés. Des essais ultérieurs avec une carte d’évaluation ADUM4165 ont confirmé ces difficultés. Malheureusement, ADI n’a pas été en mesure de déterminer la cause exacte de ces dysfonctionnements.

Heureusement, après ces premiers essais décevants, une carte d’évaluation ISOUSB211 de TI (figure 1) était déjà disponible. Et quelle réussite ! Elle fonctionne avec tous les appareils que j’ai testés. En plus de la connexion USB, elle intègre un convertisseur DC/DC avec isolation électrique, capable de générer les 5 V parfois nécessaires pour le côté appareil à partir des 5 V de l’entrée. Si l’alimentation fournie est insuffisante ou si le convertisseur à découpage provoque des interférences, il est également possible d’utiliser une alimentation externe.
La carte offre une large gamme de réglages et dispose d’une alimentation assez sophistiquée. Le site web de TI fournit une fiche technique et des spécifications détaillées. La figure 2 montre le schéma de principe de la carte ISOUSB211.

Circuit

Suite aux premiers tests prometteurs réalisés avec l’ISOUSB211, j’ai décidé de concevoir mon propre circuit imprimé pour ce circuit intégré. Il ne comportera que les composants les plus essentiels ; dans la plupart des situations, il est possible de se passer d’un convertisseur DC/DC. La figure 3 presente le circuit conçu, et la figure 4 illustre sa disposition. Les fichiers de disposition au format Eagle sont disponibles en téléchargement gratuit sur la page Elektor de cet article.

IC2, placé au centre du circuit, assure la séparation entre le côté gauche, où se connecte l’hôte ou le PC, et le côté droit, destiné à la connexion du périphérique. À l’intérieur, ce circuit intégré est équipé de régulateurs de 3,3 V de chaque côté pour alimenter la logique, ainsi que de régulateurs intégrés de 1,8 V pour alimenter d’autres composants logiques. Cependant, comme l’utilisation des régulateurs intégrés de 1,8 V chauffe considérablement IC2, il est conseillé de recourir à des régulateurs externes de 1,8 V (IC1 et IC3). En plus, un régulateur de 5 V pour IC4, placée à droite, peut également être utilisé pour alimenter le circuit via une soure d’alimentation DC externe de 8 à 15 V. IC4 est suffisamment puissant pour fournir une alimentation allant jusqu’à 400 mA aux appareils USB 2.0 connectés à J2.
Sur chaque côté du circuit, six résistances (R2 a R7 et R8 a R13) peuvent être utilisées en option pour configurer certaines fonctions. Les niveaux des entrées EQ10, EQ11 et CDPENZ1 ainsi que EQ20, EQ21 et CDPENZ2 déterminent la configuration d’un égaliseur (les broches EQ) et l’utilisation comme port de charge (CDP = Charging Downstream Port, actif bas). L’égaliseur permet une compensation commutable des propriétés électriques des pistes conductrices pour les signaux, qui dépendent de la disposition spécifique du circuit imprimé et sont essentielles pour les débits de l’USB 2. Comme les broches EQXX peuvent traiter trois niveaux (haut, ouvert et bas), permettant ainsi de définir jusqu’à neuf (3² = 9) compensations différentes par côté. Les détails sont disponibles dans la fiche technique. En pratique, le circuit fonctionne bien avec des entrées ouvertes, c’est pourquoi je n’ai pas monté R3, R4, R6, et R7, ni R8, R10, R12, et R13. La fonction CDP, non requise pour les applications décrites ici, peut être désactivée en montant les résistances R2 et R11. Tous les réglages sont demandés lors de la mise sous tension du circuit intégré et sont conservés en mémoire interne jusqu’à la prochaine mise hors tension.

Options de mesure

Intéressé par l’analyse des courants circulant dans le circuit, notamment lors de dysfonctionnements, j’ai ajouté des résistances de 0,1 Ω : R1, R14 et R15. Elles permettent de mesurer facilement la chute de tension aux points JP2, JP3 et JP4.
Il est possible d’évaluer la qualité des signaux au niveau de JP6 et JP7 en utilisant une sonde d’oscilloscope différentiel à grande vitesse, par exemple. Le circuit est largement symétrique. Sur le côté droit, il y a un régulateur de tension configuré pour délivrer une tension de 5 V, qui peut être fournie en externe via X2. Cette configuration est idéale pour fournir suffisamment de puissance afin d’alimenter un périphérique USB connecté au port J2.

Diverses observations

La figure 5 illustre la carte assemblée dans le boîtier plastique spécifiquement conçu pour le circuit. Je suis satisfait du fonctionnement de mon isolateur USB "maison". Peu après l’installation de la carte dans le boîtier et les premiers tests, le support technique d’Analog Devices m’a contacté pour proposer une solution de contournement intéressante : il était recommandé d’insérer un hub USB standard entre le PC et la carte d’évaluation ADUM4165. J’ai mis en œuvre cette recommandation et elle a été couronnée de succès : l’analyseur Audio Precision est désormais opérationnel. Cette même astuce a également fonctionné pour l’ADUM4166. Toutefois, la cause précise du problème initial et la raison pour laquelle l’utilisation d’un hub USB permet de le résoudre demeurent inexpliquées.
À noter : il me reste quelques circuits imprimés non utilisés destinés à la solution ISOUSB211.

Note de l'éditeur : Cet article (240616) apparaît dans Elektor mars/avril 2025.