Проектное решение:использование небольшого пространства для добавления дополнительных портов USB к транспортному средству

В этой статье рассматривается решение для добавления дополнительных USB-портов для зарядки к автомобилю с помощью одного чипа, содержащего все необходимые детали и обеспечивающего подачу напряжения 5 В на устройство.

В этой статье рассматривается решение, позволяющее добавить в автомобиль дополнительные USB-порты для зарядки с помощью одного чипа, содержащего все необходимые детали и подающего на устройство 5 Вольт.

В салоне современных автомобилей имеется несколько USB-портов, расположенных в головном устройстве, бардачке, подлокотниках и задних сиденьях для зарядки портативной электроники (рис. 1). Эти порты подключаются к хост-зарядному устройству / адаптеру USB в головном радиоустройстве через невыпадающие кабели.

Рисунок 1. Современная автомобильная консоль с разъемами USB для пассажиров.

В зависимости от местоположения длина кабеля может достигать нескольких футов, что создает проблемы с омическим падением напряжения и электромагнитным излучением в автомобиле. Большое количество портов USB создает большую нагрузку на зарядное устройство USB, что может привести к чрезмерному нагреву головного радиоустройства, что снизит надежность системы. В этой статье обсуждаются недостатки существующих автомобильных USB-хостов и представлено новое высокоинтегрированное решение, которое легко поддерживает растущее количество USB-портов, занимая при этом минимальное пространство и значительно снижая тепловыделение.

Существующие решения

Типичный автомобильный USB-адаптер подает источник питания 5 В на портативное устройство (PD) после успешного установления связи между портативным устройством и зарядным устройством / адаптером. Некоторые решения для зарядных устройств / адаптеров требуют наличия нескольких микросхем, которые занимают драгоценное место и требуют компенсации кабеля, которую сложно реализовать. В других решениях используется источник напряжения 5 В с несинхронными импульсными регуляторами, что приводит к чрезмерному рассеянию мощности. Компактное решение с потерями является дорогостоящим и, в конечном итоге, менее надежным. Такие решения не будут поддерживать следующее поколение архитектур, которые необходимы для растущей тенденции увеличения количества USB-портов в автомобиле.

Количество места, доступного для автомобильной электроники, постоянно сокращается. Многие решения также не включают частотную модуляцию с расширенным спектром, которая минимизирует излучаемые электромагнитными помехами излучения от частоты модуляции импульсного регулятора.

Идеальное решение

Идеальное решение для адаптера / зарядного устройства могло бы объединить все необходимые функции в одном кристалле, чтобы обеспечить простоту конструкции и экономию места. Решение, показанное на рисунке 2 (USB ADAPTER IC), включает понижающий преобразователь синхронного выпрямления (SR BUCK) для оптимальной эффективности и чувствительный усилитель для измерения тока нагрузки. Контур обратной связи увеличивает выходной VSENSP пропорционально току нагрузки и сопротивлению кабеля, точно компенсируя падение напряжения USB-кабеля и обеспечивая 5 В на устройство независимо от тока нагрузки. Сильноточная способность необходима для поддержки растущего числа USB-портов в современном автомобиле.

На рисунке 2 линии данных (HVD-, HVD +, D-, D +) реализуют связь между хостом и клиентскими устройствами для начального подтверждения связи перед зарядкой.

Рисунок 2. Схема автомобильного USB-адаптера на 5 В

Эти функции можно найти в автомобильных сильноточных понижающих преобразователях MAX20037 / MAX20038 с защитой USB и эмуляцией главного зарядного устройства / адаптера. Микросхемы объединяют в себе понижающий преобразователь автомобильного уровня на 3,5 А, зарядное устройство / эмулятор адаптера USB-хоста и защитные переключатели USB для автомобильных хост-приложений USB. Возможность работы с большими токами позволяет использовать множество USB-портов.

Маленький размер

Работа на частоте 2,2 МГц позволяет снизить пульсации на выходе и уменьшить размеры внешних компонентов, что в сочетании с небольшим (5 мм x 5 мм) 28-контактным корпусом TQFN IC позволяет минимизировать занимаемое пространство на печатной плате.

Высокая эффективность

Наиболее распространенной архитектурой понижающей коммутации является несинхронный понижающий преобразователь. В этой архитектуре выпрямитель нижнего плеча представляет собой диод Шоттки, внешний по отношению к ИС. С другой стороны, при использовании синхронной архитектуры диод заменяется интегрированным полевым МОП-транзистором с низким сопротивлением, работающим как синхронный выпрямитель. Мы компенсируем высокое падение напряжения на диоде с небольшим падением на RDS (ON) полевого МОП-транзистора. Синхронное выпрямление обеспечивает значительно более высокий КПД, чем несинхронные преобразователи, используемые в типичном решении. Благодаря синхронному выпрямлению пиковый КПД устройства превышает 90% (рис. 3).

Рисунок 3. Эффективность MAX20037 / MAX20038

Компенсация кабеля

Семейство устройств включает в себя USB-усилитель с измерением тока нагрузки и настраиваемую схему регулировки обратной связи, предназначенную для автоматической компенсации USB-напряжения при падении напряжения в невыпадающих кабелях. Компенсацию кабеля и диагностику можно легко реализовать с помощью I ² Автобус C. Внешние программирующие резисторы используются как альтернатива I ² . Автобус C.

Низкий уровень шума

Микросхемы работают на постоянной частоте в режиме принудительной ШИМ (FPWM). Дополнительная частотная модуляция с расширенным спектром предназначена для минимизации излучаемых электромагнитных помех излучений из-за частоты модуляции. На рисунке 3 частота устройства установлена ​​на 2,2 МГц выше диапазона AM, чтобы уменьшить радиопомехи.

Загрузка соответствия

Микросхемы совместимы как с USB-совместимыми, так и с несовместимыми нагрузками. Совместимое USB-устройство не должно потреблять более 30 мА и не должно иметь емкости более 10 мкФ при первоначальном подключении к порту. Затем устройство начинает процесс подключения D + / D- и перечисления. После завершения процесса «подключения» устройство может потреблять ток (100 мА для USB2.0, 150 мА для USB3.0) и не должно иметь емкости> 10 мкФ.

Защита от электростатического разряда

В устройствах используются переключатели данных с низким напряжением и высокой пропускной способностью (MAX20037) и переключатели данных с высоким напряжением и высоким уровнем электростатического разряда (MAX20038). MAX20037 предлагает защиту коммутации данных до 6 В и защиту от сильных электростатических разрядов с помощью внешнего массива ESD. MAX20038 предлагает защиту переключателя данных до 18 В и защиту от сильных электростатических разрядов с помощью внутренней схемы защиты от электростатических разрядов.

Заключение

В салоне современных автомобилей есть несколько USB-портов для зарядки портативной электроники, что создает проблемы с выделением места и тепловыделением для зарядного устройства / адаптера. Кабели, соединяющие эти порты с USB-хостом в головном радиоприемнике, создают проблемы с омическим падением напряжения и электромагнитным излучением. В этой статье обсуждаются недостатки существующих решений и представлены высокоинтегрированные автомобильные понижающие преобразователи MAX20037 / MAX20038, которые поддерживают большое количество портов с их сильноточной способностью и минимальным занимаемым пространством, шумом и тепловыделением. Они легко компенсируют омические потери кабеля через I ² Шину C или через внешние программирующие резисторы.

Подробнее

MAX20037 / MAX20038 Автомобильные сильноточные понижающие преобразователи с защитой USB / эмуляцией адаптера главного зарядного устройства

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.