Designlösung:Mit geringem Platzbedarf weitere USB-Anschlüsse an einem Fahrzeug hinzufügen

Dieser Artikel befasst sich mit einer Lösung zum Hinzufügen zusätzlicher USB-Ladeanschlüsse zu einem Fahrzeug mit einem einzigen Chip, der alle erforderlichen Teile enthält und 5 V an das Gerät liefert.

Dieser Artikel befasst sich mit einer Lösung zum Hinzufügen zusätzlicher USB-Ladeanschlüsse zu einem Fahrzeug mit einem einzigen Chip, der alle erforderlichen Teile enthält und 5 V an das Gerät liefert.

Der Innenraum moderner Autos ist mit mehreren USB-Anschlüssen ausgestattet, die in der Kopfeinheit, im Handschuhfach, in den Armlehnen und in den Rücksitzen platziert sind, um tragbare Elektronik aufzuladen (Abbildung 1). Diese Anschlüsse werden über unverlierbare Kabel mit dem USB-Host-Ladegerät/-Adapter im Radio-Hauptgerät verbunden.

Abbildung 1. Moderne Autokonsole mit USB-Steckern für Passagiere.

Je nach Standort können die Kabellängen mehrere Meter erreichen, was zu einem ohmschen Spannungsabfall und zu Problemen durch EMI-Strahlung im Automobil führt. Die hohe Anzahl an USB-Anschlüssen führt zu einer hohen Belastung des USB-Ladegeräts, die eine übermäßige Hitze im Radio-Hauptgerät erzeugen und die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigen kann. In diesem Artikel werden die Unzulänglichkeiten bestehender USB-Host-Lösungen für die Automobilindustrie diskutiert und eine neue, hochintegrierte Lösung vorgestellt, die die wachsende Zahl von USB-Anschlüssen problemlos unterstützt, dabei minimalen Platz benötigt und die Wärmeentwicklung deutlich reduziert.

Bestehende Lösungen

Der typische Auto-USB-Adapter liefert eine 5-V-Stromquelle an das tragbare Gerät (PD), nachdem ein erfolgreicher Handshake zwischen dem tragbaren Gerät und dem Ladegerät/Adapter hergestellt wurde. Einige Lade-/Adapterlösungen erfordern mehrere Chips, die kostbaren Platz beanspruchen und eine schwer zu implementierende Kabelkompensation erfordern. Andere Lösungen implementieren die 5-V-Spannungsquelle mit asynchronen Schaltreglern, was zu einer übermäßigen Verlustleistung führt. Eine platzineffiziente verlustbehaftete Lösung ist kostspielig und letztendlich weniger zuverlässig. Solche Lösungen werden die nächste Generation von Architekturen nicht unterstützen, die für den wachsenden Trend benötigt werden, mehr USB-Anschlüsse in ein Auto zu packen.

Der verfügbare Platz für Automobilelektronik wird immer kleiner. Viele Lösungen beinhalten auch keine Spread-Spectrum-Frequenzmodulation, die EMI-abgestrahlte Emissionen von der Modulationsfrequenz des Schaltreglers minimiert.

Eine ideale Lösung

Die ideale Adapter-/Ladegerät-Lösung würde alle notwendigen Funktionen in einem einzigen Chip enthalten, um ein einfaches Design und Platzeinsparungen zu ermöglichen. Die in Abbildung 2 gezeigte Lösung (USB ADAPTER IC) umfasst einen Synchrongleichrichtungs-Abwärtswandler (SR BUCK) für optimale Effizienz und einen Messverstärker zur Messung des Laststroms. Eine Rückkopplungsschleife erhöht den Ausgang VSENSP proportional zum Laststrom und zum Kabelwiderstand, hebt den Spannungsabfall des USB-Kabels exakt auf und liefert unabhängig vom Laststrom 5 V an das Gerät. Hochstromfähigkeit ist ein Muss, um die wachsende Zahl von USB-Anschlüssen in modernen Autos zu unterstützen.

In Abbildung 2 implementieren die Datenleitungen (HVD-, HVD+, D-, D+) die Kommunikation zwischen Host- und Client-Geräten für den ersten Handshake vor dem Aufladen.

Abbildung 2. Auto USB 5V Adapter Schema

Diese Funktionen sind in den Automotive-Hochstrom-Abwärtswandlern MAX20037/MAX20038 mit USB-Schutz und Host-Lade-/Adapter-Emulation zu finden. Die ICs kombinieren einen 3,5-A-Abwärtswandler in Automobilqualität, einen USB-Host-Lade-/Adapter-Emulator und USB-Schutzschalter für USB-Host-Anwendungen in der Automobilindustrie. Die Hochstromfähigkeit ermöglicht viele USB-Anschlüsse.

Kleine Größe

Der Betrieb bei 2,2 MHz ermöglicht eine reduzierte Ausgangswelligkeit und kleinere externe Komponenten, was in Kombination mit einem kleinen (5 mm x 5 mm) 28-Pin-TQFN-IC-Gehäuse zu einer minimalen Platzbelegung auf der Leiterplatte führt.

Hohe Effizienz

Die gebräuchlichste Abwärtsschaltarchitektur ist der nichtsynchrone Abwärtswandler. In dieser Architektur ist der Low-Side-Gleichrichter eine Schottky-Diode außerhalb des ICs. Andererseits wird durch die Verwendung einer Synchronarchitektur die Diode durch einen integrierten niederohmigen Low-Side-MOSFET ersetzt, der als Synchrongleichrichter fungiert. Wir tauschen den hohen Spannungsabfall an der Diode mit dem kleinen Abfall am RDS(ON) des MOSFET-Transistors aus. Die synchrone Gleichrichtung bietet einen deutlich höheren Wirkungsgrad als die nichtsynchronen Wandler, die von der typischen Lösung verwendet werden. Dank Synchrongleichrichtung erreicht das Gerät Spitzenwirkungsgrade von weit über 90 % (Bild 3).

Abbildung 3. MAX20037/MAX20038 Effizienz

Kabelkompensation

Die Gerätefamilie umfasst einen USB-Laststrommessverstärker und eine konfigurierbare Rückkopplungs-Anpassungsschaltung, die eine automatische USB-Spannungskompensation für Spannungsabfälle in unverlierbaren Kabeln bietet. Kabelkompensation und Diagnose können einfach über das I ² . implementiert werden C-Bus. Alternativ zum I ² . werden externe Programmierwiderstände verwendet C-Bus.

Geräuscharm

Die ICs arbeiten mit einer konstanten Frequenz im erzwungenen PWM-Modus (FPWM). Die optionale Spread-Spectrum-Frequenzmodulation wurde entwickelt, um EMI-abgestrahlte Emissionen aufgrund der Modulationsfrequenz zu minimieren. In Abbildung 3 ist die Gerätefrequenz auf 2,2 MHz oberhalb des AM-Bands eingestellt, um Funkstörungen zu reduzieren.

Lastenkonformität

Die ICs sind sowohl mit USB-konformen als auch mit nicht-konformen Lasten kompatibel. Ein konformes USB-Gerät darf nicht mehr als 30 mA aufnehmen und darf beim erstmaligen Anschließen an den Port nicht mehr als 10 μF Kapazität aufweisen. Das Gerät beginnt dann seinen D+/D- Verbindungs- und Aufzählungsprozess. Nach Abschluss des „Connect“-Vorgangs kann das Gerät Strom ziehen (100mA für USB2.0, 150mA für USB3.0) und darf keine Kapazität> 10μF aufweisen.

ESD-Schutz

Die Geräte verfügen über Niederspannungs-Datenschalter mit hoher Bandbreite (MAX20037) und Hochspannungs-Datenschalter mit hoher ESD (MAX20038). Der MAX20037 bietet Datenschalterschutz für bis zu 6 V und Hoch-ESD-Schutz mit einem externen ESD-Array. Der MAX20038 bietet Datenschalterschutz für bis zu 18 V und Hoch-ESD-Schutz mit interner ESD-Schutzschaltung.

Schlussfolgerung

Der Innenraum moderner Autos ist mit mehreren USB-Anschlüssen zum Aufladen tragbarer Elektronik ausgestattet, wodurch Platz und Wärmeentwicklung für das Ladegerät/den Adapter entstehen. Die Kabel, die diese Ports mit dem USB-Host in der Funkkopfeinheit verbinden, verursachen einen ohmschen Spannungsabfall und eine Herausforderung durch EMI-Strahlung. In diesem Artikel wurden die Unzulänglichkeiten bestehender Lösungen diskutiert und die hochintegrierten Automotive-Abwärtswandler MAX20037/MAX20038 vorgestellt, die mit ihrer Hochstromfähigkeit und minimalem Platzbedarf, Geräuschentwicklung und Wärmeentwicklung eine große Anzahl von Ports unterstützen. Sie kompensieren problemlos die ohmschen Kabelverluste über ein I ² C-Bus oder über externe Programmierwiderstände.

Weitere Informationen

MAX20037/MAX20038 Automotive-Hochstrom-Abwärtswandler mit USB-Schutz/Host-Ladegerät-Adapteremulation

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