Solution de conception :utiliser une petite quantité d'espace pour ajouter plus de ports USB à un véhicule

Cet article examine une solution pour ajouter des ports de charge USB supplémentaires à un véhicule à l'aide d'une seule puce contenant toutes les pièces nécessaires et fournissant 5 V à l'appareil.

Cet article examine une solution pour ajouter des ports de charge USB supplémentaires à un véhicule à l'aide d'une seule puce contenant toutes les pièces nécessaires et fournit 5 V à l'appareil.

L'intérieur des voitures modernes est peuplé de plusieurs ports USB - placés dans l'unité principale, la boîte à gants, les accoudoirs et les sièges arrière - pour charger les appareils électroniques portables (Figure 1). Ces ports se connectent au chargeur/adaptateur hôte USB dans l'unité principale radio via des câbles captifs.

Figure 1. Console de voiture moderne avec prises USB pour les passagers.

Selon l'emplacement, les longueurs de câble peuvent atteindre plusieurs pieds, créant une chute de tension ohmique et des problèmes de rayonnement EMI dans l'automobile. Le nombre élevé de ports USB crée une charge importante pour le chargeur USB, ce qui peut générer une chaleur excessive dans l'unité de tête radio, affectant la fiabilité du système. Cet article traite des lacunes des solutions hôtes USB automobiles existantes et présente une nouvelle solution hautement intégrée qui prend facilement en charge le nombre croissant de ports USB tout en nécessitant un espace minimal et en réduisant considérablement la génération de chaleur.

Solutions existantes

L'adaptateur USB de voiture typique fournit une source d'alimentation de 5 V à l'appareil portable (PD) après qu'une poignée de main réussie a été établie entre l'appareil portable et le chargeur/adaptateur. Certaines solutions de chargeur/adaptateur nécessitent plusieurs puces qui occupent un espace précieux et nécessitent une compensation de câble difficile à mettre en œuvre. D'autres solutions implémentent la source de tension 5V avec des régulateurs à découpage non synchrones, ce qui entraîne une dissipation de puissance excessive. Une solution avec pertes et peu d'espace est coûteuse et finalement moins fiable. De telles solutions ne prendront pas en charge la prochaine génération d'architectures nécessaires à la tendance croissante à intégrer davantage de ports USB dans une automobile.

L'espace disponible pour l'électronique automobile ne cesse de diminuer. De nombreuses solutions n'incluent pas non plus la modulation de fréquence à spectre étalé, qui minimise les émissions rayonnées par les interférences électromagnétiques de la fréquence de modulation du régulateur à découpage.

Une solution idéale

La solution idéale d'adaptateur/chargeur incorporerait toutes les fonctionnalités nécessaires dans une seule puce pour faciliter la conception et économiser de l'espace. La solution illustrée à la figure 2 (USB ADAPTER IC) intègre un convertisseur abaisseur à redressement synchrone (SR BUCK) pour une efficacité optimale et un amplificateur de détection pour mesurer le courant de charge. Une boucle de rétroaction augmente la sortie VSENSP proportionnellement au courant de charge et à la résistance du câble, annulant exactement la chute de tension du câble USB et délivrant 5 V à l'appareil indépendamment du courant de charge. La capacité à courant élevé est indispensable pour prendre en charge le nombre croissant de ports USB dans la voiture moderne.

Dans la figure 2, les lignes de données (HVD-, HVD+, D-, D+) mettent en œuvre la communication entre les appareils hôte et client pour la prise de contact initiale avant le chargement.

Figure 2. Schéma de l'adaptateur USB 5V pour voiture

Ces caractéristiques se trouvent dans les convertisseurs abaisseurs haute intensité automobile MAX20037/MAX20038 avec protection USB et émulation de chargeur/adaptateur hôte. Les circuits intégrés combinent un convertisseur abaisseur 3,5 A de qualité automobile, un émulateur de chargeur/adaptateur hôte USB et des commutateurs de protection USB pour les applications hôte USB automobile. La capacité de courant élevé facilite de nombreux ports USB.

Petite taille

Le fonctionnement à 2,2 MHz permet une ondulation de sortie réduite et des composants externes plus petits, qui, combinés à un petit boîtier IC TQFN à 28 broches (5 mm x 5 mm), entraînent une occupation minimale de l'espace PCB.

Haute efficacité

L'architecture de commutation abaisseur la plus courante est le convertisseur abaisseur non synchrone. Dans cette architecture, le redresseur côté bas est une diode Schottky externe au circuit intégré. D'autre part, en utilisant une architecture synchrone, la diode est remplacée par un MOSFET intégré, à faible résistance et côté bas, agissant comme un redresseur synchrone. Nous échangeons la chute de tension élevée à travers la diode avec la petite chute à travers le RDS(ON) du transistor MOSFET. Le redressement synchrone offre un rendement nettement supérieur à celui des convertisseurs non synchrones utilisés par la solution typique. Grâce au redressement synchrone, l'appareil atteint des rendements de pointe bien supérieurs à 90 % (Figure 3).

Figure 3. Efficacité MAX20037/MAX20038

Compensation de câble

La famille d'appareils comprend un amplificateur de détection de courant de charge USB et un circuit de réglage de rétroaction configurable, conçu pour fournir une compensation de tension USB automatique pour les chutes de tension dans les câbles captifs. La compensation de câble et les diagnostics peuvent être facilement mis en œuvre via le I ² autobus C. Des résistances de programmation externes sont utilisées comme alternative au I ² Bus C.

Faible bruit

Les circuits intégrés fonctionnent à une fréquence constante en mode PWM forcé (FPWM). La modulation de fréquence à spectre étalé en option est conçue pour minimiser les émissions rayonnées par les interférences électromagnétiques dues à la fréquence de modulation. Dans la figure 3, la fréquence de l'appareil est réglée à 2,2 MHz, au-dessus de la bande AM, pour réduire les interférences radio.

Conformité de la charge

Les circuits intégrés sont compatibles avec les charges compatibles USB et non conformes. Un périphérique USB conforme n'est pas autorisé à absorber plus de 30 mA et ne doit pas présenter plus de 10 F de capacité lorsqu'il est initialement connecté au port. L'appareil commence alors son processus de connexion et d'énumération D+/D-. Une fois le processus de « connexion » terminé, l'appareil peut tirer du courant (100 mA pour USB2.0, 150 mA pour USB3.0) et ne doit pas présenter une capacité> 10 μF.

Protection ESD

Les appareils sont équipés de commutateurs de données basse tension et à large bande passante (MAX20037) et de commutateurs de données haute tension et ESD élevés (MAX20038). Le MAX20037 offre une protection de commutateur de données jusqu'à 6 V et une protection ESD élevée avec une matrice ESD externe. Le MAX20038 offre une protection de commutateur de données jusqu'à 18 V et une protection ESD élevée avec un circuit de protection ESD interne.

Conclusion

L'intérieur des voitures modernes est peuplé de plusieurs ports USB pour le chargement des appareils électroniques portables, créant des défis de génération d'espace et de chaleur pour le chargeur/adaptateur. Les câbles reliant ces ports à l'hôte USB dans l'unité principale radio créent des problèmes de chute de tension ohmique et de rayonnement EMI. Cet article a discuté des lacunes des solutions existantes et a présenté les convertisseurs abaisseurs automobiles hautement intégrés MAX20037/MAX20038 qui prennent en charge un grand nombre de ports avec leur capacité de courant élevé et une occupation d'espace, un bruit et une génération de chaleur minimes. Ils compensent facilement les pertes ohmiques du câble via un I ² bus C ou via des résistances de programmation externes.

En savoir plus

Convertisseurs abaisseurs haute intensité automobile MAX20037/MAX20038 avec protection USB/émulation d'adaptateur de chargeur hôte

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