Gépjármű USB csatlakozások töltéshez és megbízható adatkommunikációhoz

Az USB-töltőportok a modern járművekbe épített szórakoztatórendszer alapvető részeivé váltak. Az utasok egyre inkább hozzászoktak ahhoz, hogy járművük elektromos rendszerét okostelefonjaik (vagy más hordozható eszközök) táplálásához csatlakoztassák, és megfordítva is használják ezeket az eszközöket a járművek különféle információs és szórakoztató funkcióihoz.

A tápellátás és az adatátvitel támogatása, valamint az alkalmazkodóképesség lehetővé tétele érdekében a gyorsan változó hordozható eszközök piacain az USB-töltőportok a rendszer számos követelményének kell, hogy megfeleljenek az áramellátás, az adatátvitel és a valós veszélyhelyzetekkel szembeni robusztusság tekintetében. A hordozható eszköz akkumulátorának töltése – beleértve az eszköztöltő profilok sokféle támogatását, például az USB BC 1.2 töltési/letöltési portot (CDP), dedikált töltőportot (DCP), szabványos letöltési portot (SDP) és a közös saját profilokat – az USB-töltőportokkal szemben támasztott követelményeknek csak egyik része. További követelmények közé tartozik a jel integritásának fenntartása a nagy sebességű USB adatátvitel mellett, valamint az USB gazdagép védelme az autóipari környezetben általában előforduló veszélyes hatások ellen. Ezenkívül a kis helyigényű megoldás és az alacsony elektromágneses emisszió fontos követelmény az egyre összetettebb autóelektronikai igények kielégítéséhez. Ez a cikk olyan megoldást mutat be, amely megfelel a modern USB-töltőportokkal szemben az autóipari környezetben támasztott követelményeknek, beleértve a tervezési példákat is.

Áttekintés egy gépjármű USB tápellátási rendszeréről

Az 1. ábrán egy tipikus autóipari USB-töltőrendszer blokkvázlata látható, ahol egy kapcsolóüzemű szabályozó 5 V-ot hoz létre az akkumulátorból a V_BUS kivezetés táplálására. Az USB-töltőport emulátor és teljesítménykapcsoló IC (USB Charging Port Emulator and Power Switch) három fő funkcióval rendelkezik. Először is, az USB-töltőport emulátor meghatározza a csatlakoztatott eszköz optimális töltőáramát, lehetővé téve a gyors töltést olyan töltőportmódok révén, mint az USB BC 1.2 CDP, DCP és a gyártó által gyártott töltőemulációs profilok. Másodszor, az USB-tápkapcsoló áramkorlátozóként és kapcsolóként működik, érzékeli és korlátozza a busz áramát. Végül a portvezérlő támogatja az USB 2.0 nagysebességű adatátvitelt a csatolt eszköz és az USB gazdagép között.

1. ábra Gépjármű USB töltőjének blokkvázlata

Mivel az USB-portok a gépjárművekben kihívásokkal teli környezetben vannak, az érzékeny USB-áramköröket meg kell védeni a valós veszélyek sokaságától, például az aljzatnál bekövetkező elektrosztatikus kisülési (ESD) eseményektől és a kábelhibáktól, amelyek az érintett vezetékeket a normál üzemi értékeiket jóval meghaladó feszültségeknek tehetik ki.
A 2. ábra egy gépjárműben található USB tápellátási rendszerének egyszerűsített blokkvázlatát mutatja, amely számos áramellátási port- és védelmi funkciót egyetlen IC-vel old meg. Ebben az esetben az LT8698S egyesíti a kapcsolószabályozó és a hálózatikapcsoló- funkciókat egy 4 mm × 6 mm-es tokban, miközben robusztus adatvezeték-védelmet nyújt az ESD események és kábelhibák ellen.
A bemutatott integrált töltőmegoldással együtt megtalálható az USB BC 1.2 és a hordozható eszköz közötti USB BC 1.2 CDP kommunikációs szekvencia független végrehajtásához szükséges összes hardver, amely lehetővé teszi a CDP-kompatibilis eszközök számára 1,5 A áramfelvételét a V_BUS-ból, miközben egyidejűleg nagy sebességgel tudnak kommunikálni a host USB-porttal.

2. ábra Egyetlen IC-s USB-vezérlőmegoldás köré épített gépjármű USB-rendszer egyszerűsített blokkdiagramja

A kábelhosszveszteség kompenzációja

A kábelhosszveszteség kompenzációja fenntartja a V_BUS sín pontos 5 V-os szabályozását, amennyiben az USB-aljzat fizikailag távol van a vezérlőtől – például az USB-aljzat a jármű hátulján, az USB-ház a műszerfalon található. Az LT8698S programozható kábelhosszveszteség-kompenzációval rendelkezik, hogy kiváló szabályozást biztosítson az USB-aljzaton, további Kelvin-érzékelő vezetékpár nélkül.
A 3. ábra bemutatja a kábelhosszveszteség kompenzációjának működését.

3. ábra A kábelhosszveszteség-kompenzáció működési elve

Az érzékelő ellenállás, az R_SEN – az OUT / ISP és a BUS / ISN kivezetésekkel – sorba kötött a szabályozó kimenete és a terhelés között. Az LT8698S 46 × (V_OUT / ISP – V_BUS / ISN) R_CBL nagyságú áramot hoz létre az R_CBL kimeneten az R_CBL ellenálláson keresztül a földhöz képest. Ez az áram megegyezik az IC USB5V bemeneti áramával, azaz a szabályozó kimenete és az USB5V láb közé kötött R_CDC ellenálláson átfolyó árammal. Ez feszültségeltolást hoz létre az R_CDC ellenálláson az 5 V-os USB5V visszacsatoló kivezetésnél és arányos az R_CDC / R_CBL ellenállások hányadosával. Ennek következményeként az LT8698S integált áramkör a BUS / ISN kivezetést a terhelési árammal arányosan egy bizonyos pontig szabályozza az 5 V feszültséget a terhelés mellett is (legfeljebb 6,05 V maximális határértékig), hogy fenntartsa a pontos szabályozást az aljzatnál, a V_BUS érintkezőn.
A kábelhosszveszteség-kompenzáció miatt nincs szükség további Kelvin-érzékelő vezetékpárra a szabályozótól a távoli terhelésig, de megköveteli, hogy a rendszer tervezője ismerje az R_CABLE kábelellenállást, mert az LT8698S nem érzékeli ezt az értéket. A kábelhosszveszteség-kompenzáció programozásához szükséges komponenseket a következő egyenlet segítségével választhatjuk ki:
R_CBL = 46 × R_SEN × R_CDC / R_CABLE. Mivel a kábel ellenállása a hőmérséklettől függően változik, a jobb teljes kimeneti feszültség pontosságának elérése érdekében széles hőmérséklet-tartományban a kábel-hosszveszteség-kompenzáció egy negatív hőmérsékleti együtthatós (NTC) ellenállás hozzáadásával – az R_CBL részeként – a hőmérséklethez képest változtatható.

Teljes körű védelem az autóipari környezet számára

Az autóipari környezet számos veszélyt rejt magában, amelyek ellen védeni kell az USB gazdagépet. Ezek a veszélyek magukban foglalják a kábelhibákat – amelyekkel az adatvezeték ki van téve az akkumulátor feszültségének vagy földjének –, valamint a nagy ESD szikrákat az USB aljzatnál.
A 4. ábra bemutatja, hogyan lehet megvédeni az USB gazdagépet ezektől a veszélyektől.

4. ábra Az LT8698S / LT8698S-1 hatékony védelmi jellemzői

Az LT8698S integrált áramkör HD+ és HD– lábai akár 20 VDC-t is képesek kivédeni, és legfeljebb 8 kV elektrosztatikus kontaktkisülést és 15 kV-os levegőkisülést képesek blokkolni az IEC 61000-4-2 ESD szabvány szerint, miközben egyidejűleg védik a gazdagépet ezektől a súlyos hatásoktól. Ezenkívül az USB5V, OUT / ISP és BUS / ISN lábak ellenállnak 42 V egyenfeszültségig terjedő kimeneti feszültséghibáknak. Kimeneti hiba esetén a reteszelő és az automatikus újrapróbálkozási funkciók precízen korlátozzák az átlagos kimeneti áramot.
Míg sok USB-port vezérlő IC-hez külső védődiódákra vagy kondenzátorokra van szükség az adatvonalakon az ESD védelem érdekében – növelve a felhasznált alkatrészeket és a költségeket, miközben romlik a jel integritása – az LT8698S esetében erre nincs szükség.
Annak ellenére, hogy az adatvonal-kapcsolók képesek ellenállni a DC-hibáknak és az ESD eseményeknek, amint azt korábban említettük, szintén kiváló jeltisztaságot garantálnak. A HD+ és HD– lábaknál a sávszélesség (-3dB-es pontnál mérve) tipikusan 480 MHz, amelyet a gyártásban is tesztelnek. Az 5. ábrán látható egy demokártyán mért nagy sebességű átvitel szemdiagramja, a TP2 tesztsíkon az USB 2.0 specifikációnak megfelelően mérve. Ez a diagram az 1. USB-sablonnak való megfelelést mutatja, a TP2 tesztsík határértékei széles vonallal jelölve.

5. ábra Nagy sebességű USB 2.0 szemdiagram egy demokártyán mérve

Kompatibilitás és támogatás sokféle töltőprofilhoz

Az itt bemutatott példákban használt vezérlő IC kompatibilis számos USB-csatlakozóval és töltőprofillal, az 1. táblázat szerint.

1. táblázat LT8698S / LT8698S-1 kompatibilitás többféle USB-csatlakozóval, töltőprofillal és adatinterfészekkel

Nézzük meg, hogyan működhet egyetlen vezérlőmegoldás egy USB-C típusú 5 V, 3 A megoldásnál (15 W). A 6. ábra mutatja V_BUS szabályozó felépítését USB-C csatlakozó esetében ( 5 V és 3 A) kábelhosszveszteség-kompenzációval.

6. ábra 5 V, 3 A, USB-C típusú alkalmazás

Ebben az áramkörben az R_SEN ellenállás értéke 8 mΩ, úgy van megválasztva, hogy legfeljebb 3 A áramot támogasson. A SYNC / MODE láb a földre van kötve, hogy lehetővé tegye az impulzusugrás üzemmódot, csökkentve a kapcsolási frekvenciát és a nyugalmi áramot a kisebb terhelő áramoknál.
Az LT8698S támogatja az USB BC 1.2 DCP módot is, amely akár 1,5 A árammal is képes ellátni a nagyáramú töltési képességet. DCP-portként használva a D+ és D– vonalak rövidre vannak zárva, és ilyenkor nincs adatátvitel. Számos hordozható eszközgyártó fejlesztett saját töltőprotokollokat, de az LT8698S ezeket a gyártók által gyártott töltőprofilokat és a hozzájuk tartozó maximális töltési áramokat, például a 2,0 A, 2,4 A, 2,1 A és 1,0 A értékeket is támogatja. A gazda mikrovezérlő a töltőprofilokat a három SEL láb vezérlésével tudja megvalósítani. A 7. ábrán egy 2,4 A / 1,5 A USB-töltő látható.

7. ábra 2,4 A / 1,5 A automatikus profilfelismerő töltő árammonitorral

Ebben az alkalmazásban a mikrovezérlő az LT8698S STATUS láb és az IMON árammonitor által szolgáltatott információkat használja fel a kívánt töltőprofil kiválasztására a SEL1–3 bemenetek vezérlésével. Ily módon a mikrovezérlő optimalizálja a hordozható eszköz töltőprofilját a biztonságos feltöltés érdekében a lehető legnagyobb áramerősség mellett.

EMI megoldás

Az alacsony EMI kulcsfontosságú követelmény az autóipari elektronikai rendszerek tápegységeihez, amelyek várhatóan gyakran megfelelnek a CISPR 25-szabvány szerinti 5. osztályú kibocsátási normának. Az LT8698S a Silent Switcher^® 2 technológiával készült, amely lehetővé teszi, hogy az USB-tápegység megfeleljen a szigorú autóipari EMI szabványoknak, anélkül, hogy feláldozná a megoldás méretét, hatékonyságát és robusztusságát.
A Silent Switcher^® 2 architektúra belső bypass kondenzátorokat tartalmaz, egy LQFN tokban minimális EMI-re konfigurálva. A bypass kondenzátorok integrálása leegyszerűsíti a kártya tervezését és csökkenti a megoldás teljes méretét, miközben minimalizálja a NyÁK elrendezés EMI teljesítményre gyakorolt hatását. Az LT8698S-1 nem tartalmazza ezeket a belső bypass kondenzátorokat, de egyébként megegyezik az LT8698S integrált áramkörrel. Válaszható szórt frekvenciamoduláció szintén elérhető mindkét eszközben, ha 3,0 V feletti egyenfeszültséget kapcsolunk a SYNC / MODE lábra. A 8. ábra mutatja az LT8698S sugárzott EMI teljesítményét tipikus alkalmazási körülmények között.

8. ábra Sugárzott EMI teljesítmény (CISPR 25 sugárzott kibocsátás csúcsdetektorral és az 5. osztályú csúcshatár)

Az LT8698S és az LT8698S-1 programozható és szinkronizálható kapcsolási frekvenciával működhet a 300 kHz–3 MHz közötti tartományban. A magasabb kapcsolási frekvenciák kisebb induktivitás- és kondenzátorértékeket tesznek lehetővé a teljes megoldás kisebb méretéhez. A 9. ábra azt mutatja, hogy még viszonylag nagy, 2 MHz-es kapcsolási frekvencián is ez a 12–5 V-os USB-megoldás 93%-os hatékonyságot ér el.

9. ábra Hatékonyság és energiaveszteség-görbék egy 5 V-os USB-megoldáshoz

Következtetés

Az USB-töltőportoknak, amelyek a modern járművekben jelenlévő szórakoztatórendszer elengedhetetlen részei, különféle rendszerproblémákat kell megoldaniuk az áramellátás, az adatátvitel támogatása és a robusztusság terén – tekintettel az autóipari környezetben várható valós eseményekre. Az itt bemutatott példák az LT8698S USB-töltő IC alkalmazásával kezelik ezeket a kihívásokat. Sokféle hordozhatóeszköz-töltőprofilt támogatnak, és akár 15 W kimeneti teljesítményt is képesek leadni az USB-C típusú töltési alkalmazásokhoz. Ezenkívül megvédik az USB-állomást a potenciálisan veszélyes körülményektől, kábelhibáktól és súlyos ESD-eseményektől. Az LT8698S garantálja ezt a védelmet, miközben megőrzi a nagy sebességű USB adatátvitelhez szükséges jel integritását az USB gazdagép és a hordozható eszköz között. Végül a Silent Switcher^® 2 architektúra kiváló EMI teljesítményt nyújt anélkül, hogy feláldozná a hatékonyságot és a megoldás fizikai méretét.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerzők: Tao Tao – Vezető Alkalmazástechnikai Mérnök és
Trevor Crane – Vezető Tervezőmérnök

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com