Ontwerpoplossing:een kleine hoeveelheid ruimte gebruiken om meer USB-poorten aan een voertuig toe te voegen

Dit artikel bekijkt een oplossing om extra USB-oplaadpoorten aan een voertuig toe te voegen met behulp van een enkele chip die alle benodigde onderdelen bevat en 5V aan het apparaat levert.

Dit artikel gaat in op een oplossing om extra USB-oplaadpoorten aan een voertuig toe te voegen met behulp van een enkele chip die alle benodigde onderdelen bevat en 5V aan het apparaat levert.

Het interieur van moderne auto's is bevolkt met meerdere USB-poorten - geplaatst in de hoofdunit, het dashboardkastje, de armleuningen en de achterbank - voor het opladen van draagbare elektronica (Figuur 1). Deze poorten worden via vaste kabels aangesloten op de USB-hostlader/-adapter in de radiohead-unit.

Figuur 1. Moderne autoconsole met USB-stekkers voor passagiers.

Afhankelijk van de locatie kunnen de kabellengtes enkele meters bereiken, waardoor Ohmse spanningsval en EMI-stralingsproblemen in de auto ontstaan. Het grote aantal USB-poorten zorgt voor een zware belasting van de USB-oplader, die overmatige hitte in de radiokopeenheid kan genereren, wat de betrouwbaarheid van het systeem aantast. Dit artikel bespreekt de tekortkomingen van bestaande USB-hostoplossingen voor auto's en presenteert een nieuwe, sterk geïntegreerde oplossing die gemakkelijk het groeiende aantal USB-poorten ondersteunt, terwijl het minimale ruimte vereist en de warmteontwikkeling aanzienlijk vermindert.

Bestaande oplossingen

De typische auto-USB-adapter levert een 5V-stroombron aan het draagbare apparaat (PD) nadat er een succesvolle handdruk tot stand is gebracht tussen het draagbare apparaat en de oplader/adapter. Sommige oplader-/adapteroplossingen vereisen meerdere chips die kostbare ruimte innemen en vereisen kabelcompensatie die moeilijk te implementeren is. Andere oplossingen implementeren de 5V-spanningsbron met niet-synchrone schakelregelaars, wat resulteert in overmatige vermogensdissipatie. Een ruimte-inefficiënte lossy-oplossing is kostbaar en uiteindelijk minder betrouwbaar. Dergelijke oplossingen bieden geen ondersteuning voor de volgende generatie architecturen die nodig zijn voor de groeiende trend om meer USB-poorten in een auto in te pakken.

De beschikbare ruimte voor auto-elektronica wordt steeds kleiner. Veel oplossingen bevatten ook geen frequentiemodulatie met gespreid spectrum, waardoor de EMI-uitgestraalde emissies van de modulatiefrequentie van de schakelregelaar worden geminimaliseerd.

Een ideale oplossing

De ideale adapter-/opladeroplossing zou alle noodzakelijke functies in één enkele chip opnemen om een ​​eenvoudig ontwerp en ruimtebesparing te bieden. De oplossing weergegeven in figuur 2 (USB ADAPTER IC) bevat een synchrone rectificatie buck-converter (SR BUCK) voor optimale efficiëntie en een meetversterker om de belastingsstroom te meten. Een feedbacklus verhoogt de VSENSP-uitgang in verhouding tot de belastingsstroom en de weerstand van de kabel, waardoor de spanningsval van de USB-kabel precies wordt opgeheven en 5V aan het apparaat wordt geleverd, onafhankelijk van de belastingsstroom. Hoge stroomcapaciteit is een must om het groeiende aantal USB-poorten in de moderne auto te ondersteunen.

In afbeelding 2 implementeren de datalijnen (HVD-, HVD+, D-, D+) de communicatie tussen host- en clientapparaten voor de eerste handshake voordat ze worden opgeladen.

Figuur 2. Auto USB 5V-adapterschema

Deze functies zijn te vinden in de MAX20037/MAX20038 automotive high-current step-down converters met USB-bescherming en hostlader/adapter-emulatie. De IC's combineren een 3,5A step-down converter van autokwaliteit, een USB-hostlader/adapter-emulator en USB-beveiligingsschakelaars voor auto-USB-hosttoepassingen. De hoge stroomcapaciteit maakt veel USB-poorten mogelijk.

Klein formaat

Werking op 2,2 MHz zorgt voor verminderde uitgangsrimpel en kleinere externe componenten, wat, in combinatie met een klein (5 mm x 5 mm) 28-pins TQFN IC-pakket, resulteert in een minimale bezetting van de PCB-ruimte.

Hoog rendement

De meest voorkomende step-down-schakelarchitectuur is de niet-synchrone buck-converter. In deze architectuur is de low-side gelijkrichter een Schottky-diode buiten het IC. Aan de andere kant, door gebruik te maken van een synchrone architectuur, wordt de diode vervangen door een geïntegreerde, lage weerstand, low-side MOSFET die fungeert als een synchrone gelijkrichter. We wisselen de hoge spanningsval over de diode af met de kleine daling over de RDS(ON) van de MOSFET-transistor. Synchrone rectificatie biedt een aanzienlijk hogere efficiëntie dan de niet-synchrone converters die door de typische oplossing worden gebruikt. Dankzij synchrone rectificatie bereikt het apparaat een piekrendement van ruim boven de 90% (Figuur 3).

Figuur 3. MAX20037/MAX20038 efficiëntie

Kabelcompensatie

De apparaatfamilie omvat een USB-stroomdetectieversterker en een configureerbaar feedback-aanpassingscircuit, ontworpen om automatische USB-spanningscompensatie te bieden voor spanningsdalingen in captive kabels. Kabelcompensatie en diagnose kunnen eenvoudig worden geïmplementeerd via de I ² C-bus. Externe programmeerweerstanden worden gebruikt als alternatief voor de I ² C-bus.

Weinig ruis

De IC's werken met een constante frequentie in geforceerde PWM-modus (FPWM). Optionele frequentiemodulatie met gespreid spectrum is ontworpen om EMI-uitgestraalde emissies als gevolg van de modulatiefrequentie te minimaliseren. In Afbeelding 3 is de apparaatfrequentie ingesteld op 2,2 MHz, boven de AM-band, om radiofrequentie-interferentie te verminderen.

Compliance laden

De IC's zijn compatibel met zowel USB-compatibele als niet-compatibele belastingen. Een compatibel USB-apparaat mag niet meer dan 30 mA zinken en mag niet meer dan 10 μF aan capaciteit hebben wanneer het in eerste instantie op de poort wordt aangesloten. Het apparaat begint dan met het D+/D- verbindings- en telproces. Na voltooiing van het "aansluiten"-proces kan het apparaat stroom trekken (100mA voor USB2.0, 150mA voor USB3.0) en mag het geen capaciteit> 10μF hebben.

ESD-bescherming

De apparaten zijn voorzien van laagspannings-, hoge-bandbreedte-dataschakelaars (MAX20037) en hoogspannings-, hoog-ESD-dataschakelaars (MAX20038). De MAX20037 biedt dataswitch-bescherming tot 6V en high-ESD-bescherming met een externe ESD-array. De MAX20038 biedt dataswitch-beveiliging tot 18V en high-ESD-beveiliging met interne ESD-beveiligingsschakelingen.

Conclusie

Het interieur van moderne auto's is bevolkt met meerdere USB-poorten voor het opladen van draagbare elektronica, waardoor ruimte en warmteopwekking ontstaan ​​voor de oplader/adapter. De kabels die deze poorten verbinden met de USB-host in de radiokopeenheid zorgen voor Ohmse spanningsval en EMI-stralingsuitdagingen. Dit artikel besprak de tekortkomingen van bestaande oplossingen en presenteerde de MAX20037/MAX20038 sterk geïntegreerde, automotive step-down converters die een groot aantal poorten ondersteunen met hun hoge stroomcapaciteit en minimale ruimtebeslag, geluid en warmteontwikkeling. Ze compenseren gemakkelijk ohmse kabelverliezen via een I ² C-bus of via externe programmeerweerstanden.

Meer informatie

MAX20037/MAX20038 Automotive High-Current Step-Down Converters met USB-bescherming/Host Charger Adapter Emulatie

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.