Solución de diseño:uso de una pequeña cantidad de espacio para agregar más puertos USB a un vehículo

Este artículo analiza una solución para agregar puertos de carga USB adicionales a un vehículo usando un solo chip que contiene todas las piezas necesarias y entrega 5V al dispositivo.

Este artículo analiza una solución para agregar puertos de carga USB adicionales a un vehículo utilizando un solo chip que contiene todas las piezas necesarias y entrega 5V al dispositivo.

El interior de los automóviles modernos tiene varios puertos USB, colocados en la unidad principal, la guantera, los reposabrazos y los asientos traseros, para cargar dispositivos electrónicos portátiles (Figura 1). Estos puertos se conectan al cargador / adaptador de host USB en la unidad principal de la radio a través de cables cautivos.

Figura 1. Consola de coche moderna con enchufes USB para pasajeros.

Dependiendo de la ubicación, las longitudes de los cables pueden alcanzar varios pies, creando problemas de caída de voltaje óhmico y radiación EMI en el automóvil. La gran cantidad de puertos USB crea una carga pesada para el cargador USB, que puede generar un calor excesivo en la unidad principal de la radio, lo que afecta la confiabilidad del sistema. Este artículo analiza las deficiencias de las soluciones de host USB automotrices existentes y presenta una nueva solución altamente integrada que admite fácilmente el creciente número de puertos USB al tiempo que requiere un espacio mínimo y reduce significativamente la generación de calor.

Soluciones existentes

El adaptador USB de automóvil típico entrega una fuente de alimentación de 5 V al dispositivo portátil (PD) después de que se haya establecido un protocolo de enlace exitoso entre el dispositivo portátil y el cargador / adaptador. Algunas soluciones de cargador / adaptador requieren varios chips que ocupan un espacio precioso y requieren una compensación de cable que es difícil de implementar. Otras soluciones implementan la fuente de voltaje de 5 V con reguladores de conmutación no síncronos, lo que da como resultado una disipación de energía excesiva. Una solución con pérdidas ineficiente en cuanto al espacio es costosa y, en última instancia, menos confiable. Estas soluciones no serán compatibles con la próxima generación de arquitecturas que se necesitan para la creciente tendencia de incluir más puertos USB en un automóvil.

La cantidad de espacio disponible para la electrónica automotriz se reduce continuamente. Muchas soluciones tampoco incluyen la modulación de frecuencia de espectro extendido, que minimiza las emisiones radiadas por EMI de la frecuencia de modulación del regulador de conmutación.

Una solución ideal

La solución ideal de adaptador / cargador incorporaría todas las funciones necesarias en un solo chip para facilitar el diseño y ahorrar espacio. La solución que se muestra en la Figura 2 (ADAPTADOR USB IC) incorpora un convertidor reductor de rectificación síncrona (SR BUCK) para una eficiencia óptima y un amplificador sensor para medir la corriente de carga. Un bucle de retroalimentación eleva la salida VSENSP en proporción a la corriente de carga y la resistencia del cable, cancelando exactamente la caída de voltaje del cable USB y entregando 5V al dispositivo independientemente de la corriente de carga. La capacidad de alta corriente es imprescindible para admitir el creciente número de puertos USB en los automóviles modernos.

En la Figura 2, las líneas de datos (HVD-, HVD +, D-, D +) implementan la comunicación entre los dispositivos host y cliente para el apretón de manos inicial antes de la carga.

Figura 2. Esquema del adaptador USB de 5 V para automóvil

Estas características se pueden encontrar en los convertidores reductores automotrices de alta corriente MAX20037 / MAX20038 con protección USB y emulación de cargador / adaptador de host. Los circuitos integrados combinan un convertidor reductor de 3,5 A de grado automotriz, un emulador de cargador / adaptador de host USB e interruptores de protección USB para aplicaciones de host USB automotrices. La capacidad de alta corriente facilita muchos puertos USB.

Tamaño pequeño

La operación a 2.2MHz permite una ondulación de salida reducida y componentes externos más pequeños, que, en combinación con un paquete TQFN IC pequeño (5 mm x 5 mm) de 28 pines, dan como resultado una ocupación mínima de espacio en la PCB.

Alta eficiencia

La arquitectura de conmutación reductora más común es el convertidor reductor no sincrónico. En esta arquitectura, el rectificador de lado bajo es un diodo Schottky externo al IC. Por otro lado, al utilizar una arquitectura síncrona, el diodo se reemplaza con un MOSFET integrado, de baja resistencia y de lado bajo que actúa como un rectificador síncrono. Intercambiamos la caída de alto voltaje en el diodo con la pequeña caída en el RDS (ENCENDIDO) del transistor MOSFET. La rectificación síncrona proporciona una eficiencia significativamente mayor que los convertidores no síncronos utilizados por la solución típica. Gracias a la rectificación síncrona, el dispositivo alcanza eficiencias máximas muy por encima del 90% (Figura 3).

Figura 3. Eficiencia MAX20037 / MAX20038

Compensación de cable

La familia de dispositivos incluye un amplificador de detección de corriente de carga USB y un circuito de ajuste de retroalimentación configurable, diseñado para proporcionar compensación automática de voltaje USB para caídas de voltaje en cables cautivos. La compensación y el diagnóstico de cables se pueden implementar fácilmente a través del I ² C bus. Las resistencias de programación externas se utilizan como alternativa al I ² Bus C.

Ruido bajo

Los circuitos integrados funcionan a una frecuencia constante en el modo PWM forzado (FPWM). La modulación de frecuencia de espectro ensanchado opcional está diseñada para minimizar las emisiones radiadas por EMI debido a la frecuencia de modulación. En la Figura 3, la frecuencia del dispositivo se establece en 2,2 MHz, por encima de la banda AM, para reducir la interferencia de radiofrecuencia.

Cumplimiento de la carga

Los circuitos integrados son compatibles con cargas compatibles y no compatibles con USB. No se permite que un dispositivo USB compatible se hunda más de 30 mA y no debe presentar más de 10 μF de capacitancia cuando se conecta inicialmente al puerto. A continuación, el dispositivo comienza su proceso de enumeración y conexión D + / D-. Una vez completado el proceso de "conexión", el dispositivo puede extraer corriente (100 mA para USB2.0, 150 mA para USB3.0) y no debe presentar una capacitancia> 10μF.

Protección ESD

Los dispositivos cuentan con conmutadores de datos de bajo voltaje y alto ancho de banda (MAX20037) y conmutadores de datos de alto voltaje y alta ESD (MAX20038). El MAX20037 ofrece protección de conmutación de datos de hasta 6 V y protección contra descargas electrostáticas elevadas con una matriz ESD externa. El MAX20038 ofrece protección de conmutación de datos de hasta 18 V y protección contra descargas electrostáticas elevadas con circuitos internos de protección contra descargas electrostáticas.

Conclusión

El interior de los autos modernos está poblado con múltiples puertos USB para la carga de dispositivos electrónicos portátiles, creando desafíos de generación de espacio y calor para el cargador / adaptador. Los cables que conectan estos puertos al host USB en la unidad principal de radio crean desafíos de caída de voltaje óhmico y radiación EMI. Este artículo discutió las deficiencias de las soluciones existentes y presentó los convertidores reductores automotrices MAX20037 / MAX20038 altamente integrados que admiten una gran cantidad de puertos con su capacidad de alta corriente y mínima ocupación de espacio, ruido y generación de calor. Compensan fácilmente las pérdidas óhmicas del cable a través de un I ² Bus C o mediante resistencias de programación externas.

Más información

Convertidores reductores automotrices de alta corriente MAX20037 / MAX20038 con protección USB / emulación de adaptador de cargador de host

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