USB 2.0 und 5-V-Typ-C-Lösungen

USB 2.0 und 5-V-Typ-C-Lösungen für das Laden sowie einen robusten Schutz der Datenleitungen im Automobil

Tao Tao, leitender Anwendungsingenieur und Trevor Crane, leitender Entwicklungsingenieur bei ADI

Einleitung

USB-Ladeanschlüsse sind zu einem wesentlichen Bestandteil des modernen Fahrzeug-Infotainmentsystems geworden. Die Fahrgäste sind zunehmend daran gewöhnt, das elektrische System ihres Fahrzeugs anzuschließen, um sowohl ihre Smartphones (oder andere tragbare Geräte) mit Strom zu versorgen als auch umgekehrt diese Geräte für eine Vielzahl von Informations- und Unterhaltungsfunktionen im Fahrzeug zu nutzen. Um sowohl die Stromversorgung als auch die Datenübertragung zu unterstützen und die Anpassungsfähigkeit an den sich ständig schnell verändernden Markt für tragbare Geräte zu ermöglichen, müssen USB-Ladeanschlüsse eine Vielzahl von Systemanforderungen in Bezug auf Stromversorgung, Datenübertragung und Robustheit gegenüber realen Gefahren erfüllen.

Das Aufladen des Akkus von tragbaren Geräten – einschließlich der Fähigkeit, eine Vielzahl von Geräte-Ladeprofilen wie USB BC 1.2 Charging Downstream Port (CDP), Dedicated Charging Port (DCP), Standard Downstream Port (SDP) und gängige proprietäre Profile zu unterstützen – ist nur ein Teil einer Vielzahl von Anforderungen, die an USB-Ladestationen gestellt werden. Weitere Anforderungen sind die Aufrechterhaltung der Signalintegrität für die Hochgeschwindigkeits-USB-Datenübertragung und der Schutz des USB-Hosts vor gefährlichen Bedingungen, wie sie in der Automobilumgebung häufig vorkommen. Darüber hinaus sind eine geringe Größe der Lösung und niedrige Elektro-Magnetische Emissionen wichtige Voraussetzungen, um die Anforderungen der immer komplexeren Automobilelektronik zu erfüllen. Dieser Artikel demonstriert eine Lösung, die den Anforderungen moderner USB-Ladeanschlüsse in der Automobilumgebung gerecht wird, einschließlich Designbeispielen.

Überblick über ein automobiles USB-Stromversorgungssystem

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen automobilen USB-Ladesystems, bei dem ein Schaltregler 5 V aus der Batterie zur Versorgung von VBUS erzeugt. Der hier gezeigte USB-Ladeport-Emulator plus Leistungsschalter-IC hat drei Hauptfunktionen. Erstens ermittelt der USB-Ladeport-Emulator den optimalen Ladestrom eines angeschlossenen Geräts und ermöglicht so ein schnelles Laden über Ladeport-Modi wie USB BC 1.2 CDP, DCP und herstellerspezifische Ladegerät-Emulationsprofile. Zweitens fungiert der USB-Leistungsschalter als Strombegrenzer und Schalter, der den Busstrom erfaßt und begrenzt. Schließlich unterstützt der Port-Controller die USB-2.0-Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen einem angeschlossenen Gerät und dem USB-Host.

Da USB-Ports in einer rauen Automobilumgebung eingesetzt werden, müssen empfindliche USB-Schaltkreise vor einer Vielzahl von realen Gefahren geschützt werden, wie z. B. Elektro-Statischen Entladungen (ESD) an der Buchse und Kabelfehlern, die die betroffene Verkabelung Spannungen aussetzen können, die weit über ihren normalen Betriebswerten liegen.

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Abbildung 1. Blockdiagramm eines Kfz-USB-Ladegeräts.

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Abbildung 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines automobilen USB-Stromversorgungssystems, das viele der Stromversorgungs-, Anschluß- und Schutzfunktionen in einem einzigen IC vereint. In diesem Fall integriert der LT8698S die Funktionen des Schaltreglers und des Leistungsschalters in einem 4 mm × 6 mm großen Gehäuse und bietet gleichzeitig einen robusten Schutz der Datenleitungen gegen ESD-Ereignisse und Kabelfehler.

Bei der gezeigten Lösung mit integriertem Ladegerät ist die gesamte Hardware enthalten, die erforderlich ist, um die CDP-Aushandlungssequenz des USB BC 1.2 zwischen dem USB-Port und dem tragbaren Gerät unabhängig durchzuführen. Dadurch können CDP-konforme Geräte einen Strom von bis zu 1,5 A aus VBUS ziehen und gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit mit dem Host kommunizieren.

Kabelabfallkompensation

Die Kabelabfallkompensation sorgt für eine genaue 5-V-Regelung der VBUS-Schiene, wenn die USB-Buchse räumlich weit vom Controller entfernt ist – zum Beispiel, wenn sich die USB-Buchse im Heck eines Fahrzeugs und der USB-Host im Armaturenbrett befindet. Der LT8698S verfügt über eine programmierbare Kabelabfallkompensation, die für eine exzellente Regelung an der USB-Buchse sorgt, ohne daß zusätzliche Kelvin-Sense-Leitungen erforderlich sind.

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Abbildung 3 zeigt, wie die Kabelfallkompensation funktioniert. Ein Sense-Widerstand, RSEN, wird zwischen den Pins OUT/ISP und BUS/ISN in Reihe zwischen dem Reglerausgang und der Last geschaltet. Der LT8698SEV-1#PBF entwickelt an seinem RCBL-Pin über den RCBL-Widerstand gegen Masse einen Stromquellenwert von 46 × (VOUT/ISP - VBUS/ISN)/RCBL. Dieser Strom ist identisch mit dem Strom, der über den RCDC-Widerstand, der zwischen dem Reglerausgang und dem USB5V-Pin geschaltet ist, in den USB5V-Pin fließt. Dadurch entsteht ein Spannungsoffset über dem RCDC -Widerstand, der über dem 5-V-USB5V-Feedback-Pin liegt und proportional zum RCDC/RCBL-Widerstandsverhältnis ist. Infolgedessen regelt der LT8698S den BUS/ISN-Pin proportional zum Laststrom auf einen Wert oberhalb der Zielspannung von 5 V bei Last (bis zu einer maximalen Grenze von 6,05 V), um eine genaue Regelung am VBUS-Pin der Buchse zu gewährleisten.

Durch die Kabelabfallkompensation entfällt die Notwendigkeit, ein zusätzliches Paar Kelvin-Meßdrähte vom Regler zur entfernten Last zu verlegen, allerdings muß der Systementwickler den Kabelwiderstand RCABLE kennen – der LT8698SEV-1#PBF erfaßt diesen Wert nicht.

Die Komponenten für die Programmierung der Kabelabfallkompensation können anhand der folgenden Gleichung ausgewählt werden: RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE. Da der Kabelwiderstand mit der Temperatur variiert, kann zur Erzielung einer besseren Gesamtausgangsspannungsgenauigkeit über einen großen Temperaturbereich die Kabelabfallkompensation durch Hinzufügen eines NTC-Widerstands (Negative Temperature Coefficient) als Teil von RCBL temperaturabhängig gemacht werden.

Abbildung 2. Vereinfachtes Blockdiagramm eines automobilen USB-Stromversorgungssystems, das um eine Single-IC-USB-Controller-Lösung herum aufgebaut ist.

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Abbildung 3. Funktionsprinzip der Kabelabfallkompensation.

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Abbildung 4. Robuste Schutzfunktionen des LT8698S/LT8698S-1.

Robuster Schutz für die Automobilumgebung

In der Automobilumgebung gibt es eine Reihe von Gefahren, vor denen der USB-Host geschützt werden muß. Zu diesen Gefahren gehören Kabelfehler, die dazu führen, daß die Datenleitung mit der Batteriespannung oder der Masse in Berührung kommt, sowie starke ESD-Schläge an der USB-Buchse. Abbildung 4 zeigt, wie der USB-Host vor diesen Gefahren geschützt werden kann.

Die HD+ und HD- Pins des LT8698SEV-1#PBF widerstehen bis zu 20 VDC und blockieren ESD-Ereignisse mit bis zu 8 kV Kontaktentladung und 15 kV Luftentladung nach IEC 61000-4-2 und schützen gleichzeitig den Host vor diesen schweren Bedingungen. Darüber hinaus widerstehen die USB5V-, OUT/ISP- und BUS/ISN-Pins Ausgangsspannungsfehlern, die Gleichspannungen bis zu 42 V einschließen. Im Falle eines Ausgangsfehlers begrenzen die Latch-Off- und Auto-Retry-Funktionen den durchschnittlichen Ausgangsstrom genau.

Während viele USB-Port-Controller-ICs für den ESD-Schutz externe Clamp-Dioden oder Kondensatoren auf den Datenleitungen benötigen – was die Kosten und das Material erhöht und möglicherweise die Signalintegrität beeinträchtigt – ist dies beim LT8698SEV-1#PBF nicht der Fall.

Trotz der bereits erwähnten Widerstandsfähigkeit der Datenleitungsschalter gegenüber Gleichstromfehlern und ESD-Ereignissen unterstützen sie auch eine hervorragende Signalintegrität. Insbesondere beträgt die -3-dB-Bandbreite der HD+ und HD- Pins 480 MHz (typ), was einem Produktionstest entspricht. Abbildung 5 zeigt das High-Speed-Transmit-Eye-Pattern, gemessen auf einem Demo-Board auf Testebene 2 gemäß der USB-2.0-Spezifikation. Dieses Diagramm zeigt die Konformität mit den Grenzwerten der USB-Vorlage 1, Testebene 2 mit reichlich Spielraum.

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Abbildung 5. High-Speed-USB-2.0-Augendiagramm, gemessen auf einem Demo-Board. Die Anforderungen der Vorlage 1 sind dargestellt.

Kompatibilität und Unterstützung für eine Vielzahl von unterschiedlichen Ladegeräteprofilen

Der in den Beispielen hier verwendete Controller-IC ist mit einer Reihe von USB-Steckertypen und Ladegerätprofilen kompatibel, wie in Tabelle 1 dargestellt. Schauen wir uns an, wie eine einzelne Controller-Lösung in einer USB-Typ-C-Lösung mit 5 V, 3 A (15 W) funktionieren könnte.

Abbildung 6 zeigt das Schaltbild für einen USB 5 V bei 3 A VBUS-Regler mit Kabelabfallkompensation. In dieser Schaltung ist der RSEN-Widerstandswert von 8 mΩ so gewählt, daß er einen Strom von bis zu 3 A unterstützt, und der SYNC/MODE-Pin ist mit Masse verbunden, um den Puls-Skipping-Betriebsmodus zu aktivieren, der die Schaltfrequenz und den Ruhestrom bei geringen Lastströmen reduziert.

Der LT8698SEV-1#PBF unterstützt auch den USB-BC-1.2-DCP-Modus, der Ladeströme bis zu 1,5 A liefern kann und damit eine Hochstrom-Ladefähigkeit bietet. Bei Verwendung als DCP-Port sind die D+ und D- Leitungen kurzgeschlossen und es findet keine Datenübertragung statt. Viele Hersteller von tragbaren Geräten haben proprietäre Ladeprotokolle entwickelt. Außerdem werden diese herstellereigenen Ladeprofile und die zugehörigen maximalen Ladeströme, wie 2,0 A, 2,4 A, 2,1 A und 1,0 A, unterstützt. Der Host-Mikrocontroller kann diese Ladeprofile durch Ansteuerung der drei SEL-Pins implementieren.

Abbildung 7 zeigt den Schaltplan für ein 2,4 A/1,5 A USB-Ladegerät. In dieser Anwendung nutzt der Mikrocontroller die Informationen, die der STATUS-Pin und der IMON-Strommonitor des LT8698SEV-1#PBF liefern, um das gewünschte Ladeprofil durch Ansteuerung der SEL1-3-Pin-Eingänge auszuwählen. Auf diese Weise kann der Mikrocontroller das Ladeprofil für das tragbare Gerät optimieren, um ein sicheres Laden mit dem höchstmöglichen Strom zu ermöglichen.

Tabelle 1. Kompatibilität des LT8698S/LT8698S-1 mit einer Vielzahl von USB-Steckertypen, Ladeprofilen und Datenschnittstellen

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Abbildung 6. Eine 5 V, 3 A, USB Typ-C Anwendung.

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Abbildung 7. Ein Ladegerät mit automatischer Profilerkennung (2,4 A/1,5 A) und Stromüberwachung.

Lösungen für Elektro-Magnetische Interferenz (EMI)

Niedrige EMI ist eine Schlüsselanforderung für Stromversorgungen in Automobilelektronik-systemen, von denen oft erwartet wird, daß sie die Emissionsnorm CISPR 25 Klasse 5 erfüllen. Das Design des LT8698SEV-1#PBF basiert auf der Silent Switcher® 2-Technologie. Dadurch kann das USB-Netzteil diese strengen EMI-Standards für den Automotive-Bereich erfüllen, ohne daß die Größe, der Wirkungsgrad und die Robustheit der Lösung darunter leiden.

Die Silent Switcher® 2-Architektur beinhaltet interne Bypass-Kondensatoren, die für minimale EMI innerhalb des LQFN-Gehäuses konfiguriert sind. Die Integration der Bypass-Kondensatoren vereinfacht das Leiterplattendesign und reduziert den Platzbedarf der Gesamtlösung, während die Auswirkungen des Leiterplatten-Layouts auf die EMI-Leistung minimiert werden. Der LT8698S-1 enthält diese internen Bypass-Kondensatoren nicht, ist aber ansonsten identisch mit dem LT8698SEV-1#PBF. Die wählbare Spreizspektrums-Frequenzmodulation ist ebenfalls in beiden Bausteinen verfügbar, indem eine Gleichspannung über 3,0 V an den SYNC/MODE-Pin angelegt wird. Abbildung 8 zeigt das Strahlungs-EMV-Verhalten des LT8698SEV-1#PBF unter typischen Anwendungsbedingungen.

Der LT8698SEV-1#PBF und der LT8698S-1 können mit einer programmierbaren und synchronisierbaren Schaltfrequenz im Bereich von 300 kHz bis 3 MHz betrieben werden. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Induktivitäts- und Kondensatorwerte für eine geringere Gesamtgröße der Lösung. Abbildung 9 zeigt, daß diese 12-V-auf-5-V-USB-Lösung selbst bei einer relativ hohen Schaltfrequenz von 2 MHz einen Wirkungsgrad von 93 % erreicht.

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Abbildung 8. Abgestrahlte EMI-Leistung (CISPR 25 Abgestrahlte Emissionen mit Spitzendetektor und Spitzengrenzwert der Klasse 5).

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Abbildung 9. Wirkungsgrad- und Verlustleistungskurven für eine 5-V-USB-Lösung.

Fazit

USB-Ladeanschlüsse, ein wesentlicher Bestandteil des modernen Fahrzeug-Infotainmentsystems, müssen eine Vielzahl von Systemherausforderungen in Bezug auf Leistung, Datenübertragungsunterstützung und Robustheit angesichts realer gefährlicher Ereignisse, die in der Automobilumgebung erwartet werden, bewältigen. Die hier gezeigten Beispiele, bei denen der USB-Lade-IC LT8698SEV-1#PBF zum Einsatz kommt, gehen auf diese Herausforderungen ein. Sie unterstützen eine Vielzahl von Ladeprofilen für tragbare Geräte und können eine Ausgangsleistung von bis zu 15 W für USB-Typ-C-Ladeanwendungen bereitstellen. Außerdem schützen sie den USB-Host vor potenziell gefährlichen Bedingungen wie Kabelfehlern und schweren ESD-Ereignissen. Der LT8698SEV-1#PBF bietet diesen Schutz und gewährleistet gleichzeitig die für die Hochgeschwindigkeits-USB-Datenübertragung zwischen dem USB-Host und dem tragbaren Gerät erforderliche Signalintegrität. Schließlich bietet die Silent Switcher® 2-Architektur ein hervorragendes EMI-Verhalten, ohne daß die Effizienz und die Größe der Lösung darunter leiden.

Über die Autoren

Tao Tao ist Senior Application Engineer für Power-Produkte bei Analog Devices, Inc. in Santa Clara, Kalifornien. Er bietet derzeit Anwendungssupport für Abwärts-Schaltregler-ICs. Vor seiner jetzigen Tätigkeit arbeitete Tao bei der Intersil Corporation an der Entwicklung von integrierten Leistungsmodulen. Zu Taos Interessen gehören Leistungswandler und -regler mit hohem Wirkungsgrad und hoher Dichte, Modellierung und Steuerung von Leistungswandlern, EMI-Minderungstechniken, elektronische Gehäusetechnologien, Leiterplattendesign und die Lösung anderer technischer Probleme. Tao erwarb einen Master-Abschluß in Elektrotechnik an der Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia. Er kann unter tao.tao@analog.com erreicht werden.

Trevor Crane ist ein leitender Entwicklungsingenieur bei ADI. Er arbeitet derzeit für die Power Business Unit von ADI am Standort Grass Valley an der Entwicklung von Mehrkanal-Abwärtsreglern. Er schloß 2004 sein Studium der Elektrotechnik an der Stanford University mit einem B.S. ab. Trevor war zuvor bei Linear Technology Corp. als Produktingenieur und als Design-Ingenieur tätig, wo er an diskreten Leistungsprodukten arbeitete. Er hat drei Automotive-USB-Buck-Regler veröffentlicht. Er kann unter trevor.crane@analog.com erreicht werden.