USB-устройство с несколькими развязывающими конденсаторами

10

У меня есть USB-устройство с несколькими микросхемами. Из того, что я прочитал, стандартная практика заключается в использовании комбинации конденсаторов с несколькими диапазонами для развязки каждой отдельной микросхемы, причем самые маленькие находятся как можно ближе, а конденсаторы большего размера не слишком далеко.

Тем не менее, я сталкиваюсь с дилеммой:

Согласно этому источнику , максимально допустимая емкость развязки для устройства USB составляет 10 мкФ. С несколькими микросхемами, имеющими комбинацию развязывающих конденсаторов 0,1 мкФ и 2,2 мкФ / 4,7 мкФ, я легко превышаю этот предел, потому что они все параллельно.

Единственное решение, которое я могу придумать, - это уменьшить / исключить больший развязывающий конденсатор и / или попытаться объединить несколько больших развязывающих конденсаторов IC вместе, сохраняя меньшие развязывающие конденсаторы рядом с каждой ИС.

На мой взгляд, ни одно из этих решений не кажется идеальным. Какова рекомендуемая схема развязки для нескольких микросхем на устройстве с питанием от USB?

Теоретическая потребляемая мощность всех используемых микросхем все еще ниже предела, который может быть подан через USB 2.0.

helloworld922
источник
1
(Как правило) 100 нС предназначены для относительно больших кратковременных пиков тока, которые должны подаваться из источника, близкого к микросхеме. Значение C> 1 мкФ имеет более сложную задачу. Если у вас есть, скажем, 50 из 100 нФ, я бы просто пропустил> 1 мкФ. Требуемая мощность для всей платы уже предоставлена ​​китайской ордой в 100 нФ.
Воутер ван Оойен
1
Некоторые из них имеют непосредственное отношение к вашему вопросу, но о чем следует помнить, если вы используете большие конденсаторы: USB имеет не только ограничение пускового тока, но и ограничение того, как долго устройство может подавать 5 В на VBUS после того, как оно было отключено хостом. , Может кто знает точную ссылку?
АРФ
@ARF Это что-то вроде некропоста, но я нашел следующее в спецификации USB2: «Когда VBUS удален, устройство должно отключить питание от подтягивающего резистора D + / D- в течение 10 секунд». Я не припомню требования убрать 5 В из VBus, но это повлияет на мой текущий дизайн, если таковой будет. Может ли это быть спецификацией, о которой вы думали?
Jason_L_Bens
Я опаздываю на это, но @Jason_L_Bens, ты получил ответ?
Тим Джагер

Ответы:

4

Хотя это не совсем то, что вам нужно, я использовал микросхемы управления питанием для достижения этой цели. Например, TPS2113APW . Я предпочитаю этот конкретный чип, потому что он позволяет мне создавать устройства с двумя источниками питания, которые могут работать как от настенной розетки, так и от USB, автоматически предпочитая настенную розетку, если она доступна.

Если вам не нужен двойной источник питания, вы можете использовать что-то вроде MIC2545A

В конечном счете, любая емкость «позади» ИС управления питанием (т.е. подключенная к выходам ИС) не «видна» USB; шина видит емкость только перед микросхемой (т.е. подключена к входам микросхемы).

Вам все еще нужно беспокоиться о пусковом токе - «плюс любые емкостные эффекты, видимые через регулятор», - но эти микросхемы также имеют переменное ограничение тока. Определите параллельные сопротивления, которые должны иметь ограничение 100 мА и ограничение 500 мА (и, необязательно, ограничение мА, если вы хотите ограничить питание от сети), а затем используйте полевые транзисторы для закорачивания резисторов по мере необходимости, чтобы включить различные ограничения.

С помощью этих микросхем я подключил к USB печатные платы с несколькими сотнями мкФ, и цифровой мультиметр, настроенный на максимальный ток, подтвердил, что пусковой ток во время подключения не превышал 100 мА.

ajs410
источник
1
В конце концов я решил пойти с чипом NCP380LSN05AAT1G. Аналогичен MIC2545A, но был разработан для USB-приложений.
helloworld922
1
Если вы придерживаетесь этого подхода, убедитесь, что на стороне VBus есть как минимум 1 мкФ. Это требование было добавлено с появлением USB On The Go, и это необходимо для работы протокола обнаружения подключений.
ajs410
Я использую его для плавного запуска частей моего устройства (аналоговая сторона). Основной процессор (общая емкость развязки ~ 5 мкФ, хотя большинство из них работает только от цепи постоянного тока до земли) подключен непосредственно к USB, а оставшиеся колпачки и микросхемы находятся за регулятором.
helloworld922
9

Устройство USB не может отображать емкость более 10 мкФ при подключении. Это не обязательно означает, что у вас может быть только 10 мкФ конденсаторов, это означает, что вам нужно ограничить пусковой ток до уровня, который требуется для зарядки 10 мкФ при подключении. Из спецификации USB:

Максимальная нагрузка (CRPB), которая может быть размещена на выходном конце кабеля, составляет 10 мкФ параллельно с 44 Ом. Емкость 10 мкФ представляет собой любой обходной конденсатор, напрямую подключенный к линиям VBUS в функции, плюс любые емкостные эффекты, видимые через регулятор в устройстве. Сопротивление 44 Ом представляет собой единицу нагрузки тока, потребляемого устройством во время подключения.

Более того:

Если в устройстве требуется большая емкость байпаса, тогда устройство должно включать в себя некоторую форму ограничения импульсного тока VBUS, чтобы оно соответствовало характеристикам вышеуказанной нагрузки.

Как вы, вероятно, знаете, ваше устройство может потреблять 1 блок питания или 100 мА при подключении без каких-либо переговоров.

Если бы я проектировал USB-устройство большой мощности, я бы:

A. Живите с требованием 10 мкФ, например, если я использую импульсный источник питания или если мой VDD будет 3,3 В

или

B. Используйте схему «плавного пуска», такую ​​как резистор 47 Ом, последовательно с моим громоздким конденсатором. Используйте компаратор для определения напряжения на конденсаторе. Когда напряжение находится в пределах 100 мВ от напряжения на шине USB, тогда компаратор должен включить P-MOSFET, который закорачивает 47-омное сопротивление.

USB-схема плавного пуска

Мартин К
источник
Если вы рисуете 100 мА, напряжение на 47 & Омега; резистор не подойдет даже близко к 100 мВ, вам понадобится 1 Омега; тогда резистор, но тогда у тебя больше не будет плавного пуска. И, возможно, вам не нужны компаратор и полевой транзистор, например, когда вы будете использовать 5 В только для регулятора LDO.
Стивенвх
Я сказал «100 мВ», и тогда моя принципиальная схема показывает больше как 500 мВ. Напряжение не является важной частью, более важно оставаться в соответствии с требованием 100 мА, когда зарядная крышка заряжается. Извините за путаницу.
Мартин К
Это хорошая идея, но я думаю, что падение напряжения важно. Если вы переключите FET, когда еще 500 мВ, чтобы пойти, C2 все еще может вызвать вид пика тока, который шина USB не хочет видеть в первую очередь. Я также добавил бы некоторый гистерезис к этому операционному усилителю (если это операционный усилитель, он не говорит).
stevenvh
Все хорошие моменты. Я имел в виду как отправную точку для вашего собственного решения.
Мартин К
1
есть пример в USB Hardware Руководства по проектированию для FTDI ИС Раздела 2.4.2 Bulk емкости по сравнению бросок тока с микроконтроллером ВКЛЮЧИТЬ выводы
эндолиты
4

100 нФ являются наиболее важными. Обязательно размещайте их и, как вы говорите, как можно ближе к булавкам.

2,2 / 4,7 мкФ для параллельного подключения - это высокое значение, которое не требуется при правильно отключенном источнике питания. Особенно не на каждой микросхеме. Здесь источник питания будет на некотором расстоянии, и тогда настоятельно рекомендуется конденсатор в несколько мкФ. Используйте самое высокое значение, которое вы можете себе позволить после вычитания 100 нФ, и поместите его ближе к микросхеме, которая будет потреблять больше всего тока, если только это не будет другой конец, где USB входит в печатную плату. Тогда вам придется идти на компромисс: на пути от USB-разъема, и не слишком далеко от крупнейших потребителей.

stevenvh
источник
2

«Максимальная емкость через контактный» V - шины правило предназначен для поддержания напряжения VBUS от падения достаточно низко , чтобы сбросить другие устройства USB всякий раз , когда новое устройство USB подключено.

Я видел несколько USB-устройств, которым нужен только ферритовый шарик, чтобы поддерживать пусковой ток в пределах спецификации. Они соединяют только две вещи с выводом Vbus разъема USB: минимальная емкость развязки VBUS 1 мкФ непосредственно между выводами Vbus и GND разъема USB, и ферритовый шарик, который подает питание на остальную часть устройства. Это позволяет им использовать чистую емкость чуть более 10 мкФ на другой стороне этого ферритового шарика.

Большинство схем для устройств с питанием от USB, на которые я смотрел, имеют регулятор напряжения, который преобразует напряжение от 4,45 В до 5,25 В от хоста USB в напряжение 3,3 В, используемое всеми микросхемами устройства. Использование регулятора напряжения со схемой «плавного пуска» поддерживает пусковой ток в пределах спецификации; это позволяет конструктору наложить любую емкость на выход регулятора - между 3,3 В и GND - без каких-либо проблем на стороне USB.

davidcary
источник