USB 2.0 automotriz y una solución tipo C de 5 V para carga y protección sólida de la línea de datos

Introducción

Los puertos de carga USB se han convertido en una parte esencial del sistema de infoentretenimiento de los vehículos modernos. Los pasajeros están cada vez más acostumbrados a conectar el sistema eléctrico de su vehículo para alimentar sus teléfonos inteligentes (u otros dispositivos portátiles) y, a la inversa, utilizar esos dispositivos para una variedad de funciones de información y entretenimiento del vehículo. Para respaldar las capacidades de energía y datos, y para permitir la adaptabilidad en los mercados de dispositivos portátiles en constante cambio, los puertos de carga USB deben cumplir una variedad de requisitos del sistema con respecto a la energía, la transmisión de datos y la robustez frente a eventos peligrosos del mundo real. .

La carga de la batería del dispositivo portátil, incluida la capacidad de admitir una amplia variedad de perfiles de cargador de dispositivo, como el puerto descendente de carga (CDP) USB BC 1.2, el puerto de carga dedicado (DCP), el puerto descendente estándar (SDP) y los perfiles patentados comunes, es solo una parte de una amplia gama de demandas a los puertos de carga USB. Otros requisitos incluyen el mantenimiento de la integridad de la señal para la transmisión de datos USB de alta velocidad y la protección del host USB contra condiciones peligrosas que se encuentran comúnmente en el entorno automotriz. Además, el tamaño pequeño de la solución y las bajas emisiones electromagnéticas son requisitos importantes para satisfacer las demandas de la electrónica automotriz cada vez más compleja. Este artículo demuestra una solución que satisface los requisitos de los puertos de carga USB modernos en el entorno automotriz, incluidos ejemplos de diseño.

Descripción general de un sistema de alimentación USB automotriz

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de cargador USB automotriz típico, en el que un regulador de conmutación genera 5 V de la batería para alimentar V_AUTOBÚS. El emulador de puerto de carga USB más IC de interruptor de alimentación que se muestra aquí tiene tres funciones principales. En primer lugar, el emulador de puerto de carga USB determina la corriente de carga óptima de un dispositivo conectado, lo que permite una carga rápida a través de modos de puerto de carga como USB BC 1.2 CDP, DCP y perfiles de emulación de cargador patentados por el proveedor. En segundo lugar, el interruptor de alimentación USB actúa como interruptor y limitador de corriente, detectando y limitando la corriente del bus. Finalmente, el controlador de puerto admite la transferencia de datos de alta velocidad USB 2.0 entre un dispositivo conectado y el host USB.

Dado que los puertos USB existen en un entorno automotriz hostil, los circuitos USB sensibles deben protegerse de una gran cantidad de peligros del mundo real, como eventos de descarga electrostática (ESD) en el zócalo y eventos de falla del cable, que pueden exponer el cableado afectado a voltajes mucho más allá. sus valores normales de funcionamiento.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques simplificado de un sistema de alimentación USB automotriz que combina muchas de las funciones de alimentación, puerto y protección en un solo IC. En este caso, el LT8698S integra las funciones del regulador de conmutación y el interruptor de alimentación en un paquete de 4 mm × 6 mm al mismo tiempo que brinda protecciones sólidas de línea de datos contra eventos de ESD y fallas de cable.

Con la solución de cargador integrado que se muestra, se incluye todo el hardware necesario para realizar de forma independiente la secuencia de negociación USB BC 1.2 CDP entre el puerto USB y el dispositivo portátil, lo que permite que los dispositivos compatibles con CDP consuman corriente hasta 1,5 A de V_AUTOBÚS mientras se comunica simultáneamente con el host a alta velocidad.

Compensación de caída de cable

La compensación de caída de cable mantiene una regulación precisa de 5 V de la V_AUTOBÚS carril cuando el conector USB está físicamente alejado del controlador; por ejemplo, el conector USB está ubicado en la parte trasera de un vehículo y el host USB está en el tablero. El LT8698S cuenta con compensación de caída de cable programable para proporcionar una excelente regulación en la toma USB sin necesidad de cables sensores Kelvin adicionales.

La Figura 3 muestra cómo funciona la compensación de caída de cable. Una resistencia de sentido, R_NEE, está conectado entre los pines OUT/ISP y BUS/ISN en serie entre la salida del regulador y la carga. El LT8698S desarrolla un valor de fuente de corriente de 46 × (V_SALIDA/ISP – V._AUTOBÚS/ISN)/D_CBL en su R_CBL pin a través de la R_CBL resistencia a tierra. Esta corriente es idéntica a la corriente que fluye hacia el pin USB5V a través del R_{Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades} resistencia atada entre la salida del regulador y el pin USB5V. Esto crea una compensación de voltaje a través de la R_{Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades} Resistencia, por encima del pin de retroalimentación USB5V de 5 V, y proporcional a la R_{Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades}/R_CBL relación de resistencia Como resultado, el LT8698S regula el pin BUS/ISN hasta un punto, en proporción a la corriente de carga, por encima del objetivo de carga de 5 V (sujeto a un límite máximo de 6,05 V) para mantener una regulación precisa en el enchufe. V_AUTOBÚS alfiler.

La compensación de caída de cable elimina la necesidad de instalar un par adicional de cables sensores Kelvin desde el regulador hasta la carga remota, pero requiere que el diseñador del sistema conozca la resistencia del cable, R_CABLE—el LT8698S no detecta este valor. Los componentes para la programación de la compensación de caída de cable se pueden elegir mediante la siguiente ecuación: R_CBL = 46 × R_NEE × R_{Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades}/R_CABLE. Dado que la resistencia del cable varía con la temperatura, para lograr una mejor precisión general del voltaje de salida en un amplio rango de temperatura, se puede hacer que la compensación de caída del cable varíe con respecto a la temperatura agregando una resistencia de coeficiente de temperatura negativo (NTC) como parte de R_CBL.

Protección robusta para el entorno automotriz

El entorno del automóvil presenta una serie de peligros de los que debe protegerse el host USB. Estos peligros incluyen fallas en los cables que dan como resultado la exposición de la línea de datos al voltaje de la batería o a tierra, y golpes de ESD grandes en la toma USB. La figura 4 muestra cómo proteger el host USB de estos peligros.

HD del LT8698S⁺ y alta definición^– los pines soportan hasta 20 V_{corriente continua} y bloquee eventos de ESD IEC 61000-4-2 de descarga de contacto de hasta 8 kV y descarga de aire de 15 kV mientras protege simultáneamente al host de estas condiciones severas. Además, los pines USB5V, OUT/ISP y BUS/ISN soportan fallas de voltaje de salida que incluyen voltajes de CC de hasta 42 V. En caso de una falla de salida, las funciones de bloqueo y reintento automático limitan con precisión la salida promedio Actual.

Si bien muchos circuitos integrados de controlador de puerto USB requieren diodos de sujeción externos o capacitores en las líneas de datos para la protección contra descargas electrostáticas, lo que aumenta el costo y el material, y posiblemente degrada la integridad de la señal, el LT8698S no lo requiere.

A pesar de la capacidad de los interruptores de línea de datos para soportar fallas de CC y eventos ESD como se indicó anteriormente, también admiten una excelente integridad de la señal. Específicamente, el ancho de banda de –3 dB de la HD⁺ y alta definición^– pines es de 480 MHz (típico), que se prueba en producción. La figura 5 muestra el patrón de ojo de transmisión de alta velocidad medido en una placa de demostración en el plano de prueba 2 de acuerdo con la especificación USB 2.0. Este diagrama muestra la conformidad con la plantilla USB 1, los límites del plano de prueba 2 con mucho margen.

Compatibilidad y soporte para una amplia variedad de perfiles de cargador

El IC del controlador utilizado en los ejemplos aquí es compatible con varios tipos de conectores USB y perfiles de cargador, como se muestra en la Tabla 1. Veamos cómo podría funcionar una solución de un solo controlador en una solución USB tipo C de 5 V, 3 A (15 W).

La figura 6 muestra el esquema de un USB de 5 V a 3 AV_AUTOBÚS regulador con compensación de caída de cable. En este circuito, la R_NEE Se elige un valor de resistencia de 8 mΩ para soportar hasta 3 A de corriente, y el pin SYNC/MODE está conectado a tierra para habilitar el modo de operación de salto de pulso, reduciendo la frecuencia de conmutación y la corriente de reposo en corrientes de carga ligera.

El LT8698S también es compatible con el modo USB BC 1.2 DCP, que puede suministrar corrientes de carga de hasta 1,5 A para una capacidad de carga de alta corriente. Cuando se utiliza como puerto DCP, el D⁺ y D^– las líneas están en corto y no hay transferencia de datos. Muchos fabricantes de dispositivos portátiles han desarrollado protocolos de cargador patentados. Además, se admiten estos perfiles de cargador exclusivos del proveedor y las corrientes de carga máximas asociadas, como 2,0 A, 2,4 A, 2,1 A y 1,0 A. El microcontrolador anfitrión puede implementar estos perfiles de cargador controlando los tres pines SEL.

La figura 7 muestra el esquema de un cargador USB de 2,4 A/1,5 A. En esta aplicación, el microcontrolador utiliza la información proporcionada por el pin de ESTADO LT8698S y el monitor de corriente IMON para seleccionar el perfil de cargador deseado mediante el control de los pines de entrada del pin SEL1–3. De esta forma, el microcontrolador puede optimizar el perfil del cargador del dispositivo portátil para una carga segura con la corriente más alta posible.

Tabla 1. Compatibilidad de LT8698S/LT8698S-1 con una amplia variedad de tipos de conectores USB, perfiles de cargador e interfaces de datos

USB 2.0 tipo A		USB 3.x tipo A		USB tipo C
Patas:	VAUTOBÚStierra, D+, D	Patas:	VAUTOBÚStierra, D+, D	Patas:	VAUTOBÚStierra, D+, D
Energía:	5 V, 1,5 A, BC 1.2 5 V, 2,4 A, iPad de Apple	Energía:	5 V, 1,5 A, BC 1.2	Energía:	5 V, 1,5 A, BC 1.2 5 V, 3 A, tipo C
Datos	USB 2.0, 480Mbps	Datos:	USB 2.0, 480Mbps	Datos:	USB 2.0, 480Mbps

Solución EMI

La baja EMI es un requisito clave para las fuentes de alimentación en los sistemas electrónicos automotrices, que a menudo se espera que cumplan con el estándar de emisiones CISPR 25 Clase 5. El LT8698S está diseñado con Silent Switcher^® 2, lo que permite que la fuente de alimentación USB cumpla con estos estrictos estándares EMI automotrices sin sacrificar el tamaño, la eficiencia y la solidez de la solución.

La arquitectura Silent Switcher 2 incorpora capacitores de derivación internos configurados para EMI mínimos dentro del paquete LQFN. La integración de los condensadores de derivación simplifica el diseño de la placa y reduce el espacio total de la solución al mismo tiempo que minimiza el efecto del diseño de la PCB en el rendimiento de EMI. El LT8698S-1 no incluye estos condensadores de derivación internos pero, por lo demás, es idéntico al LT8698S. La modulación de frecuencia de espectro ensanchado seleccionable también está disponible en ambos dispositivos al aplicar un voltaje de CC superior a 3,0 V al pin SYNC/MODE. La Figura 8 muestra el rendimiento de EMI radiado del LT8698S en condiciones de aplicación típicas.

El LT8698S y el LT8698S-1 pueden operar con una frecuencia de conmutación programable y sincronizable en el rango de 300 kHz a 3 MHz. Las frecuencias de conmutación más altas permiten valores más pequeños de inductor y capacitor para un tamaño de solución total más pequeño. La Figura 9 muestra que incluso a una frecuencia de conmutación relativamente alta de 2 MHz, esta solución USB de 12 V a 5 V logra una eficiencia del 93 %.

Conclusión

Los puertos de carga USB, una parte esencial del sistema de infoentretenimiento del vehículo moderno, deben superar una variedad de desafíos del sistema con respecto a la potencia, el soporte de transmisión de datos y la solidez frente a los eventos peligrosos del mundo real que se esperan en el entorno automotriz. Los ejemplos que se muestran aquí, con el IC del cargador USB LT8698S, abordan estos desafíos. Admiten una amplia variedad de perfiles de cargador de dispositivos portátiles y pueden proporcionar hasta 15 W de potencia de salida para aplicaciones de carga USB tipo C. Además, protegen el host USB de condiciones potencialmente peligrosas, como fallas en los cables y eventos severos de ESD. El LT8698S brinda esta protección mientras mantiene la integridad de la señal necesaria para la transferencia de datos USB de alta velocidad entre el host USB y el dispositivo portátil. Por último, la arquitectura Silent Switcher 2 ofrece un excelente rendimiento de EMI sin sacrificar la eficiencia ni el tamaño de la solución.