Di Tao Tao, Senior Applications Engineer e Trevor Crane, Senior Design Engineer, Analog Devices

Introduzione

Le porte di carica USB sono diventate una parte essenziale del moderno sistema di infotainment di una vettura. I passeggeri sono sempre più avvezzi a collegarsi al sistema elettrico del proprio veicolo, sia per alimentare i loro smartphone (o altri dispositivi portatili) che, d’altra parte, per utilizzare tali dispositivi per diverse informazioni del veicolo e funzioni di intrattenimento. Per supportare la capacità di alimentazione, di trasferimento dati e per consentire l’adattabilità ai mercati dei dispositivi portatili in continuo e rapido movimento, le porte di carica USB devono soddisfare una varietà di requisiti di sistema riguardanti alimentazione, trasmissione dati e robustezza, fronteggiando gli eventi pericolosi del mondo-reale.

La carica delle batterie dei dispositivi portatili — inclusa la possibilità di supportare un’ampia varietà di profili di dispositivi di carica quali USB BC 1.2 Charging Downstream Port (CDP), Dedicated Charging Port (DCP), Standard Downstream Port (SDP) e i più comuni profili proprietari — rappresentano solo una parte dell’ampia gamma di funzioni che vengono richieste alle porte USB. Ulteriori requisiti includono il mantenimento dell’integrità del segnale per la trasmissione dati USB ad alta velocità, la protezione dell’host USB dalle condizioni d’uso critiche, tipiche dell’ambiente auto. Inoltre, una soluzione dalle dimensioni piccole e un basso livello di emissioni elettromagnetiche sono caratteristiche importanti per soddisfare la domanda di elettronica sempre più complessa per autovetture. Questo articolo dimostra una soluzione che soddisfa i requisiti delle moderne porte di carica USB per ambiente automotive, inclusi alcuni esempi di progetto.

Panoramica di un Sistema di Alimentazione USB per Automotive

La Figura 1 illustra lo schema di un tipico sistema di carica USB per auto, nel quale un regolatore a commutazione genera 5 V dalla tensione di batteria, per alimentare VBUS. L’emulatore di porta di carica USB più l’IC switch d’alimentazione mostrati in figura svolgono tre funzioni principali. Nella prima, l’emulatore di porta di carica USB determina il livello ottimale della corrente di carica del dispositivo connesso, abilitando la carica rapida attraverso le diverse modalità quali USB BC 1.2 CDP, DCP, nonché i profili di emulazione dei caricatori proprietari. Nella seconda, lo switch d’alimentazione USB funziona come interruttore e limitatore di corrente, rilevando e limitando la corrente di bus. Infine, il port controller supporta il trasferimento dati ad alta velocità USB 2.0 tra il dispositivo collegato e l’host USB.

Dato che le porte USB vengono collocate in ambiente critico automotive, i componenti più vulnerabili dei circuiti USB devono essere protetti da un’infinità di rischi che derivano dall’utilizzo nel mondo-reale, come eventi di scarica elettrostatica (ESD) al connettore e guasti su cavo, i quali possono esporre i circuiti interessati a tensioni che vanno ben oltre i normali valori operativi.

Figura 1. Schema a blocchi di un caricatore USB per automotive.

La Figura 2 mostra lo schema a blocchi semplificato di un sistema d’alimentazione USB di tipo automotive, che riunisce in un singolo IC molte delle funzioni di protezione su alimentazione e porta. In questo caso, l’LT8698S integra le funzioni di regolatore switching e switch d’alimentazione in un package da 4 mm × 6 mm, fornendo anche protezioni robuste da eventi ESD sulla linea dati e da guasti su cavo.

Nella soluzione integrata del caricatore mostrato in figura, è compreso tutto l’hardware necessario a eseguire in modo indipendente la sequenza di negoziazione USB BC 1.2 CDP tra la porta USB e dispositivo portatile, consentendo agli apparati CDP-compatibili di assorbire correnti fino a 1,5 A da VBUS e stabilendo, nello stesso tempo, comunicazioni ad alta velocità con l’host.

Compensazione della caduta su cavo

Quando la presa USB è fisicamente distante dal controller ed è situata, ad esempio, sul retro del veicolo mentre l’host USB si trova in plancia, la compensazione di caduta su cavo mantiene una regolazione accurata a 5 V sulla linea VBUS. L’LT8698S offre la compensazione programmabile di caduta su cavo per fornire una regolazione eccellente alla presa USB, senza la necessità di utilizzare cavi supplementari per il rilevamento Kelvin.

La Figura 3 illustra il funzionamento della compensazione di caduta su cavo. Un resistore di sense, RSEN, viene collegato tra i pin OUT/ISP e BUS/ISN, in serie tra l’uscita del regolatore e il carico. L’LT8698S genera un valore di corrente “source” di 46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL al proprio pin RCBL, tra il resistore RCBL e massa. Questa corrente è identica a quella che scorre nel pin USB5V attraverso il resistore RCDC collegato tra l’uscita del regolatore e il pin USB5V. Questo crea una differenza di tensione ai capi del resistore RCDC, superiore ai 5 V del pin di feedback USB5V e proporzionale al rapporto di resistenze RCDC/RCBL. Di conseguenza, per mantenere una regolazione accurata al pin VBUS del connettore, l’LT8698S regola il pin BUS/ISN a un punto ben determinato (superiore al target di 5 V sul punto di carico e soggetto a un limite massimo di 6,05 V), proporzionale alla corrente di carico.

La compensazione di caduta su cavo elimina la necessità di utilizzare una coppia aggiuntiva di cavi di rilevamento Kelvin tra il regolatore e il carico remoto, ma richiede che il progettista conosca il valore di resistenza del cavo, RCABLE— l’LT8698S non rileva questo valore. I componenti per programmare la compensazione di caduta sul cavo possono essere scelti utilizzando la seguente equazione: RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE. Dato che la resistenza del cavo varia con la temperatura, per raggiungere la migliore accuratezza di tensione su un ampio intervallo di temperature si può aggiungere un resistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) come parte di RCBL, per modificare la compensazione di caduta su cavo al variare della temperatura ambiente.

Figura 2. Schema blocchi semplificato di un sistema d’alimentazione USB automotive, realizzato attorno a un controller USB a singolo IC.

Figura 3. Principi di funzionamento della compensazione di caduta su cavo.

 

Figura 4. Caratteristiche di protezione robusta dell’LT8698S/LT8698S-1.

Protezione Robusta per l’Ambiente Automotive

L’ambiente automotive presenta un numero di rischi dai quali l’host USB deve essere protetto. Questi includono i guasti su cavo, che portano a esporre la linea dati verso la tensione di batteria o verso massa, e consistenti scariche ESD al connettore USB. La Figura 4 mostra come proteggere l’host USB da questi rischi.

I pin HD+ e HD– dell’LT8698S sopportano fino a 20 VDC, bloccano scariche fino a 8 kV per contatto e fino a 15 kV in aria, secondo lo standard IEC 61000-4-2 sugli eventi ESD, proteggendo allo stesso tempo l’host da queste condizioni severe. Inoltre, i pin USB5V, OUT/ISP e BUS/ISN sopportano guasti in uscita con tensioni dc che possono arrivare fino a 42 V. Nell’eventualità di un guasto in uscita, le caratteristiche di distacco e auto-retry limitano accuratamente la corrente media erogata.

Anche se molti IC port controller USB richiedono diodi di soppressione esterni o condensatori sulle linee dati per la protezione ESD— aumentando costi, materiali e rischiando di degradare l’integrità del segnale — l’LT8698S non ne ha bisogno.

Nonostante la capacità di sopportare guasti dc ed eventi ESD descritta in precedenza, gli switch mantengono in modo eccellente l’integrità del segnale. Nello specifico, la banda passante (tipica) a –3 dB dei pin HD+ e HD– è 480 MHz, il cui valore viene verificato nel processo di produzione. La Figura 5 mostra il diagramma a occhio della trasmissione ad alta velocità, misurato su una scheda dimostrativa sul test plane 2 secondo le specifiche USB 2.0. Il tracciato dimostra l’ampio margine di conformità rispetto ai limiti del template 1, test plane 2 USB.

Figura 5. Diagramma a occhio USB 2.0 misurato su una scheda dimostrativa. Sono illustrati i requisiti del template 1.

Compatibilità e Supporto per un’Ampia Varietà di Profili di Caricatore

L’IC controller utilizzato in questi esempi è compatibile con diversi tipi di connettori USB e profili di caricatore, come illustrato in Tabella 1. Vediamo come una configurazione a singolo controller possa funzionare in una soluzione USB Type-C 5 V, 3 A (15 W).

La Figura 6 illustra lo schema di un regolatore VBUS USB 5 V, 3 A con compensazione della caduta su cavo. In questo circuito, per il resistore RSEN è stato scelto un valore di 8 mΩ per supportare correnti in uscita fino a 3 A e il pin SYNC/MODE è collegato a terra per abilitare la modalità operativa “pulse-skipping”, riducendo la frequenza di commutazione e la corrente a riposo a basse correnti di carico.

Per un’alta capacità di carica, l’LT8698S supporta anche la modalità USB BC 1.2 DCP, in grado di fornire correnti fino a 1,5 A. Quando viene utilizzato come porta DCP, le linee D+ e D– vengono cortocircuitate e non avviene alcun trasferimento dati. Molti produttori di dispositivi portatili hanno sviluppato protocolli di caricatore proprietari. Anche in questi profili sono supportati, con le relative correnti massime di carica quali 2,0 A, 2,4 A, 2,1 A e 1,0 A. Il microcontrollore host può implementare questi profili di carica controllando i tre pin SEL.

La Figura 7 illustra lo schema di un caricatore USB da 2,4 A/1,5 A. In questa applicazione, il microcontrollore utilizza le informazioni fornite dal pin STATUS e dal monitor di corrente IMON dell’LT8698S per selezionare il profilo del caricatore desiderato, controllando i pin d’ingresso SEL1–3. In questo modo, il microcontrollore può ottimizzare il profilo di caricatore sul dispositivo portatile, per una carica sicura alla più alta corrente possibile.

Tabella 1. Compatibilità di LT8698S/LT8698S-1 su un’ampia varietà di connettori USB, profili di caricatore e interfacce dati

Figura 6. Un’applicazione USB Type-C da 5 V, 3 A.

Figura 7. Caricatore da 2,4 A/1,5 A con rilevamento automatico del profilo e monitor di corrente.

Soluzione EMI

Un livello EMI basso è un requisito fondamentale per gli alimentatori destinati ai sistemi elettronici per automotive, ai quali spesso si richiede la conformità allo standard di emissione CISPR 25 Classe 5. Il progetto dell’LT8698S utilizza la tecnologia Silent Switcher® 2 technology, che permette all’alimentatore USB di soddisfare questi rigidi standard EMI automotive senza sacrificare le dimensioni della soluzione, efficienza e robustezza.

L’architettura Silent Switcher 2 incorpora condensatori interni di bypass configurati per un livello EMI minimo all’interno del package LQFN. L’integrazione dei condensatori di bypass semplifica il progetto della scheda e riduce l’ingombro complessivo della soluzione, minimizzando nel contempo l’effetto del layout del PCB sulle prestazioni EMI. L’LT8698S-1 non include questi condensatori interni di bypass, ma per il resto è identico all’LT8698S. In entrambi i dispositivi è possibile selezionare la modulazione di frequenza di tipo spread spectrum, applicando al pin SYNC/ MODE una tensione dc superiore a 3,0 V. La Figura 8 illustra le prestazioni dell’LT8698S relative all’EMI irradiata in condizioni applicative tipiche.

LT8698S e LT8698S-1 possono operare con frequenza di commutazione programmabile e sincronizzabile nell’intervallo tra 300 kHz e 3 MHz. Le frequenze più elevate permettono di utilizzare induttori e condensatori di valore più ridotto, per una soluzione complessiva dalle dimensioni più ridotte. La Figura 9 mostra che anche alla frequenza di commutazione relativamente alta di 2 MHz, questa soluzione USB da 12 V a 5 V raggiunge un livello di efficienza del 93%.

Figura 8. Prestazioni EMI irradiate (CISPR 25 su emissioni irradiate con rilevatore di picco e limite di picco in Classe 5).

Figura 9. Curva di efficienza e perdita di potenza per una soluzione USB 5 V.

Conclusioni

Le porte di carica USB, parte essenziale del sistema di infotainment di un veicolo moderno, devono superare una serie di sfide relative a alimentazione, supporto trasmissione dati e robustezza per fronteggiare gli eventi pericolosi del mondo-reale che si aspettano dall’ambiente automotive. Gli esempi mostrati in quest’articolo, che utilizzano l’IC di carica USB LT8698S, rispondono a queste sfide. Portano un’ampia varietà di profili di caricatore di dispositivi portatili e sono in grado di fornire una potenza d’uscita fino a 15 W per applicazioni di carica USB Type-C. Inoltre, proteggono l’host USB da condizioni potenzialmente pericolose come guasti su cavo ed eventi ESD severi. L’LT8698S fornisce questa protezione, mantenendo allo stesso tempo l’integrità del segnale necessaria per il trasferimento dati USB ad alta velocità tra l’host USB e il dispositivo portatile. Infine, l’architettura Silent Switcher 2 fornisce prestazioni EMI eccellenti senza sacrificare efficienza e dimensioni della soluzione.