Solução de design:usando uma pequena quantidade de espaço para adicionar mais portas USB a um veículo

Este artigo analisa uma solução para adicionar portas de carregamento USB adicionais a um veículo usando um único chip contendo todas as peças necessárias e fornece 5 V ao dispositivo.

Este artigo analisa uma solução para adicionar portas de carregamento USB adicionais a um veículo usando um único chip contendo todas as peças necessárias e fornece 5 V para o dispositivo.

O interior dos carros modernos é preenchido com várias portas USB - localizadas na unidade principal, porta-luvas, apoios de braço e bancos traseiros - para carregar eletrônicos portáteis (Figura 1). Essas portas se conectam ao carregador / adaptador host USB na unidade principal do rádio por meio de cabos cativos.

Figura 1. Console de carro moderno com plugues USB para passageiros.

Dependendo da localização, o comprimento do cabo pode chegar a vários metros, criando queda de tensão ôhmica e problemas de radiação EMI no automóvel. O grande número de portas USB cria uma carga pesada para o carregador USB, o que pode gerar calor excessivo na unidade principal do rádio, afetando a confiabilidade do sistema. Este artigo discute as deficiências das soluções host USB automotivas existentes e apresenta uma solução nova e altamente integrada que suporta facilmente o número crescente de portas USB enquanto requer espaço mínimo e reduz significativamente a geração de calor.

Soluções existentes

O adaptador USB típico de carro fornece uma fonte de alimentação de 5 V para o dispositivo portátil (PD) após um handshake bem-sucedido ter sido estabelecido entre o dispositivo portátil e o carregador / adaptador. Algumas soluções de carregador / adaptador exigem vários chips que ocupam um espaço precioso e exigem compensação de cabo que é difícil de implementar. Outras soluções implementam a fonte de tensão de 5 V com reguladores de chaveamento não síncrono, resultando em dissipação excessiva de energia. Uma solução com perdas ineficiente em termos de espaço é cara e, em última análise, menos confiável. Essas soluções não suportarão a próxima geração de arquiteturas que são necessárias para a tendência crescente de incluir mais portas USB em um automóvel.

A quantidade de espaço disponível para eletrônicos automotivos está diminuindo continuamente. Muitas soluções também não incluem modulação de frequência de espalhamento espectral, o que minimiza as emissões irradiadas de EMI da frequência de modulação do regulador de comutação.

Uma solução ideal

A solução ideal de adaptador / carregador incorporaria todos os recursos necessários em um único chip para proporcionar facilidade de design e economia de espaço. A solução mostrada na Figura 2 (ADAPTADOR USB IC) incorpora um conversor buck de retificação síncrona (SR BUCK) para eficiência ideal e um amplificador de detecção para medir a corrente de carga. Um loop de feedback aumenta a saída VSENSP em proporção à corrente de carga e à resistência do cabo, cancelando exatamente a queda de tensão do cabo USB e fornecendo 5 V ao dispositivo independente da corrente de carga. A capacidade de alta corrente é essencial para suportar o número crescente de portas USB no carro moderno.

Na Figura 2, as linhas de dados (HVD-, HVD +, D-, D +) implementam a comunicação entre os dispositivos host e cliente para o handshake inicial antes do carregamento.

Figura 2. Esquemático do adaptador USB 5V do carro

Esses recursos podem ser encontrados nos conversores abaixadores automotivos de alta corrente MAX20037 / MAX20038 com proteção USB e emulação de carregador / adaptador host. Os ICs combinam um conversor abaixador de nível automotivo de 3,5 A, um carregador / emulador de adaptador de host USB e chaves de proteção USB para aplicações host USB automotivas. A capacidade de alta corrente facilita muitas portas USB.

Tamanho pequeno

A operação a 2,2 MHz permite a ondulação de saída reduzida e componentes externos menores, que, em combinação com um pacote de IC TQFN pequeno (5 mm x 5 mm) de 28 pinos, resulta em ocupação mínima de espaço do PCB.

Alta eficiência

A arquitetura de comutação abaixadora mais comum é o conversor buck não síncrono. Nesta arquitetura, o retificador do lado inferior é um diodo Schottky externo ao IC. Por outro lado, ao utilizar uma arquitetura síncrona, o diodo é substituído por um MOSFET integrado, de baixa resistência e lado baixo, atuando como um retificador síncrono. Nós compensamos a queda de alta tensão no diodo com a pequena queda no RDS (ON) do transistor MOSFET. A retificação síncrona fornece eficiência significativamente maior do que os conversores não síncronos usados ​​pela solução típica. Graças à retificação síncrona, o dispositivo atinge eficiências de pico bem acima de 90% (Figura 3).

Figura 3. Eficiência MAX20037 / MAX20038

Compensação de cabos

A família de dispositivos inclui um amplificador de detecção de corrente de carga USB e um circuito de ajuste de feedback configurável, projetado para fornecer compensação automática de voltagem USB para quedas de voltagem em cabos cativos. A compensação e o diagnóstico do cabo podem ser facilmente implementados por meio do I ² Bus C. Resistores de programação externos são usados ​​como uma alternativa ao I ² Bus C.

Baixo ruído

Os ICs operam em uma frequência constante no modo PWM forçado (FPWM). A modulação de frequência de espectro espalhado opcional foi projetada para minimizar as emissões irradiadas de EMI devido à frequência de modulação. Na Figura 3, a frequência do dispositivo é definida em 2,2 MHz, acima da banda AM, para reduzir a interferência da radiofrequência.

Conformidade de carga

Os ICs são compatíveis com cargas compatíveis e não compatíveis com USB. Um dispositivo USB compatível não pode absorver mais de 30mA e não deve apresentar mais de 10μF de capacitância quando inicialmente conectado à porta. O dispositivo então começa sua conexão D + / D- e processo de enumeração. Após a conclusão do processo de “conexão”, o dispositivo pode puxar corrente (100mA para USB2.0, 150mA para USB3.0) e não deve apresentar uma capacitância> 10μF.

Proteção ESD

Os dispositivos apresentam comutadores de dados de baixa voltagem e largura de banda alta (MAX20037) e comutadores de dados de alta voltagem e alta ESD (MAX20038). O MAX20037 oferece proteção de switch de dados para até 6 V e proteção de alto ESD com um array ESD externo. O MAX20038 oferece proteção de switch de dados para até 18 V e proteção de alto ESD com circuito de proteção ESD interno.

Conclusão

O interior dos carros modernos é preenchido com várias portas USB para carregamento de eletrônicos portáteis, criando desafios de espaço e geração de calor para o carregador / adaptador. Os cabos que conectam essas portas ao host USB na unidade principal do rádio criam queda de tensão ôhmica e desafios de radiação EMI. Este artigo discutiu as deficiências das soluções existentes e apresentou os conversores abaixadores automotivos MAX20037 / MAX20038 altamente integrados que suportam um grande número de portas com sua capacidade de alta corrente e ocupação mínima de espaço, ruído e geração de calor. Eles compensam facilmente as perdas ôhmicas do cabo por meio de um I ² Bus C ou através de resistores de programação externos.

Saiba mais

MAX20037 / MAX20038 Conversores Abaixadores de Alta Corrente Automotiva com Proteção USB / Emulação de Adaptador de Carregador Host

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