Điện-Điện tử

Type-C để sạc và bảo vệ đường truyền dữ liệu mạnh mẽ với cổng USB 2.0 dành cho ô tô có giải pháp 5V

Tao Tao, Kỹ sư ứng dụng Cao cấp và  Trevor Crane, Chuyên gia thiết kế

Giới thiệu chung

Cổng sạc USB đã trở thành một phần thiết yếu của hệ thống thông tin giải trí trên xe hiện đại. Hành khách ngày càng quen với việc kết nối hệ thống điện của xe để cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh (hoặc các thiết bị di động khác) và ngược lại, khi chúng ta sử dụng các thiết bị đó cho nhiều chức năng thông tin và giải trí trên xe. Để hỗ trợ cả khả năng cấp nguồn và dữ liệu, đồng thời cho phép khả năng thích ứng trong thị trường thiết bị di động thay đổi nhanh liên tục, cổng sạc USB phải đáp ứng nhiều yêu cầu hệ thống khác nhau về nguồn điện, truyền dữ liệu và tính mạnh mẽ cũng như an toàn khi đối mặt với các sự kiện nguy hiểm trong thế giới thực .

Ngay cả khi chúng ta sạc pin cho thiết bị di động khi lái xe, bao gồm khả năng hỗ trợ nhiều loại cấu hình, bộ sạc thiết bị như cổng hạ lưu USB BC 1.2 (CDP), cổng sạc chuyên dụng (DCP), cổng hạ lưu tiêu chuẩn (SDP) và các cấu hình độc quyền thông thường khác, chỉ một phần của một loạt các nhu cầu đặt trên cổng sạc USB. Các yêu cầu này bao gồm duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu để truyền dữ liệu USB có tốc độ cao và bảo vệ máy chủ USB khỏi các điều kiện nguy hiểm thường thấy trong môi trường ô tô. Ngoài ra, kích thước dung dịch nhỏ và phát thải điện từ thấp là những yêu cầu tối quan trọng để đáp ứng nhu cầu cho các thiết bị điện tử ô tô ngày càng phức tạp. Bài báo này sẽ trình bày một giải pháp đáp ứng các yêu cầu của cổng sạc USB hiện đại trong ngành sản xuất và lắp ráp ô tô, nó bao gồm cả các mẫu về thiết kế.

Tổng quan về Hệ thống USB trên ô tô

Hình 1 cho thấy sơ đồ khối điển hình của hệ thống sạc USB trên ô tô, trong đó bộ điều chỉnh chuyển mạch tạo ra 5V từ pin để cấp nguồn cho VBUS. Bộ mô phỏng cổng sạc USB cộng với IC công tắc nguồn được trình bày ở đây có ba chức năng chính. Đầu tiên, trình mô phỏng cổng sạc USB xác định dòng sạc tối ưu của thiết bị được đính kèm, cho phép sạc nhanh qua các chế độ cổng sạc như USB BC 1.2 CDP, DCP và cấu hình mô phỏng bộ sạc độc quyền của nhà cung cấp. Thứ hai, công tắc nguồn USB hoạt động như một bộ giới hạn và chuyển đổi dòng điện, cảm biến và giới hạn dòng điện bus. Cuối cùng, bộ điều khiển cổng hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao USB 2.0 giữa thiết bị đính kèm và máy chủ USB.

Vì cổng USB tồn tại trong môi trường ô tô khắc nghiệt, các mạch USB nhạy cảm phải được bảo vệ khỏi một loạt các mối nguy hiểm trong thế giới thực, chẳng hạn như sự kiện phóng tĩnh điện (ESD) tại ổ cắm và sự kiện lỗi cáp, có thể khiến dây bị ảnh hưởng đến điện áp cao hơn giá trị hoạt động bình thường của chúng, hãy xem hình minh hoạ.

 

Hình 1. Sơ đồ khối bộ sạc USB trên ô tô.

Hình 2 chúng ta sẽ thấy một sơ đồ khối đơn giản của hệ thống nguồn USB trong ô tô kết hợp nhiều chức năng nguồn, cổng và bảo vệ vào một IC duy nhất. Trong trường hợp này, LT8698S tích hợp các chức năng của bộ điều chỉnh chuyển mạch và công tắc nguồn vào một gói 4mm × 6mm đồng thời nó cũng cung cấp khả năng bảo vệ đường dữ liệu mạnh mẽ chống lại ESD và lỗi cáp.

Hình 2. Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống nguồn USB trên ô tô được xây dựng dựa trên giải pháp bộ điều khiển USB một IC.

Với giải pháp bộ sạc tích hợp được hiển thị, tất cả phần cứng cần thiết để thực hiện độc lập trình được tự thoả thuận USB BC 1.2 CDP giữa cổng USB và thiết bị di động bao gồm, cho phép các thiết bị tuân thủ CDP tạo ra dòng điện lên đến 1,5A từ VBUS trong khi giao tiếp đồng thời với máy chủ ở tốc độ cao.

thể bù khi rớt cáp

Bù rớt cáp duy trì quy định 5V chính xác của thanh VBUS khi ổ cắm USB ở xa bộ điều khiển, ví dụ như: ổ cắm USB được đặt ở phía sau xe và máy chủ USB nằm trong dấu gạch ngang. LT8698S có tính năng bù rớt cáp để có thể lập trình cung cấp khả năng điều tiết tuyệt vời tại ổ cắm USB mà không cần thêm dây hay cảm biến Kelvin.

Hình 3 cho thấy cách bù sụt cáp hoạt động. Một điện trở cảm nhận được, RSEN sẽ buộc nối tiếp giữa các chân OUT / ISP và BUS / ISN đầu ra bộ điều chỉnh và tải. LT8698S phát triển giá trị nguồn hiện tại là 46 × (VOUT / ISP – VBUS / ISN) / RCBL tại chân RCBL của nó thông qua điện trở RCBL nối đất. Dòng điện này giống với dòng điện chạy vào chân USB5V thông qua điện trở RCDC được gắn giữa đầu ra bộ điều chỉnh và chân USB5V. Do vậy nó tạo ra sự bù đắp điện áp trên điện trở RCDC, phía trên chân phản hồi 5V USB5V và tỷ lệ với tỷ lệ điện trở RCDC / RCBL. Kết quả là, LT8698S điều chỉnh chân BUS / ISN đến một điểm, tương ứng với dòng tải, trên mục tiêu lúc tải 5V (chịu giới hạn tối đa là 6,05 V) để duy trì điều tiết chính xác tại ổ cắm Ghim VBUS.

Bù rớt cáp sẽ giúp loại bỏ nhu cầu chạy thêm một cặp dây cảm biến Kelvin từ bộ điều chỉnh đến tải từ xa, những yêu cầu nhà thiết kế hệ thống sẽ biết điện trở của cáp, RCABLE — LT8698S không cảm nhận được giá trị này. Các thành phần để lập trình bù rớt cáp có thể được chọn theo công thức sau: RCBL = 46 × RSEN × RCDC / RCABLE. Vì điện trở của cáp thay đổi theo nhiệt độ, và để đạt được độ chính xác điện áp đầu ra tổng thể tốt hơn trong một phạm vi nhiệt độ rộng, nó có thể thực hiện bù rơi cáp thay đổi so với nhiệt độ bằng cách thêm điện trở hệ số nhiệt độ âm (NTC) như một phần của RCBL.

Hình 3. Nguyên lý làm việc theo sơ đồ bù rớt cáp.

 

Hình 4. Các tính năng bảo vệ mạnh mẽ của LT8698S / LT8698S-1.

Bảo vệ mạnh mẽ cho môi trường ô tô

Môi trường ô tô có một số nguy cơ mà từ máy chủ USB phải được bảo vệ. Những mối nguy hiểm này bao gồm lỗi cáp dẫn đến đường dây dữ liệu tiếp xúc với điện áp pin hoặc mặt đất, thậm chí va chạm vào ESD lớn ở ổ cắm USB. Hãy xem sơ đồ hình 4 cho thấy cách bảo vệ máy chủ USB khỏi những mối nguy hiểm này.

Các chân HD + và HD- của LT8698S chịu được tối đa 20 VDC, nó có thể chặn phóng điện tiếp xúc lên đến 8 kV và phóng điện không khí 15 kV, đồng thời các sự kiện ESD IEC 61000-4-2 bảo vệ máy chủ khỏi các điều kiện khắc nghiệt này. Ngoài ra, các chân USB5V, OUT / ISP và BUS / ISN chịu được lỗi điện áp đầu ra bao gồm điện áp một chiều lên đến 42V. Trong trường hợp có lỗi đầu ra, tính năng chốt và tự động thử lại giới hạn chính xác mức đầu ra trung bình hiện hành.

 Trong khi nhiều IC điều khiển cổng USB yêu cầu đi ốt kẹp bên ngoài hoặc tụ điện trên đường dữ liệu để bảo vệ ESD – làm tăng chi phí và vật liệu, trong khi có thể làm giảm tính toàn vẹn của tín hiệu – nhưng LT8698S thì lại không.

Mặc dù khả năng của bộ chuyển mạch đường dữ liệu có thể chịu được lỗi một chiều và các sự kiện ESD như đã nêu ở trên, chúng cũng hỗ trợ tính toàn vẹn của tín hiệu một cách tuyệt vời. Cụ thể, băng thông –3 dB của chân HD + và HD– là 480 MHz (điển hình), được thử nghiệm sản xuất. Hãy quan sát Hình 5 cho thấy mẫu mắt truyền tốc độ cao được đo trên bảng demo ở mặt phẳng thử nghiệm 2 phù hợp với thông số kỹ thuật USB 2.0. Biểu đồ này cho thấy sự phù hợp với các giới hạn của mẫu USB 1, mặt phẳng với nhiều lề tại thử nghiệm 2.

Hình 5. Sơ đồ mắt USB 2.0 tốc độ cao được đo trên bảng demo. Theo yêu cầu mẫu 1 hiển thị.

Khả năng tương thích và hỗ trợ cho nhiều loại cấu hình của bộ sạc

IC điều khiển được sử dụng trong các ví dụ ở đây, nó tương thích với một số loại đầu nối USB và cấu hình bộ sạc như được hiển thị trong Bảng 1. Hãy xem cách một giải pháp điều khiển duy nhất có thể hoạt động trong giải pháp USB type-C 5V, 3 A (15 W).

Hình 6 cho thấy sơ đồ cho bộ điều chỉnh VBUS USB 5V ở 3A có bù rớt cáp. Trong mạch này, giá trị điện trở RSEN 8 mΩ được chọn để hỗ trợ dòng điện lên đến 3A và chân SYNC / MODE được gắn với mặt đất để cho phép chế độ hoạt động bỏ qua xung, giảm tần số chuyển mạch và dòng điện tĩnh khi ánh sáng tải các dòng điện.

LT8698S cũng hỗ trợ chế độ USB BC 1.2 DCP, hiện tại nó có thể cung cấp dòng sạc lên đến 1,5 A cho khả năng sạc cao. Khi được sử dụng như một cổng DCP, các đường D + và D– được nối tắt với nhau và không có truyền dữ liệu. Nhiều nhà sản xuất thiết bị di động đã phát triển các giao thức sạc độc quyền. Ngoài ra, các cấu hình bộ sạc độc quyền của nhà cung cấp và dòng sạc tối đa liên quan, chẳng hạn như 2.0A, 2.4A, 2.1A và 1.0A, đều được hỗ trợ. Bộ vi điều khiển chủ có thể triển khai các cấu hình bộ sạc này bằng cách điều khiển ba chân SEL.

Quan sát Hình 7 cho thấy sơ đồ của bộ sạc USB 2,4A / 1,5A. Trong ứng dụng này, bộ vi điều khiển sử dụng thông tin được cung cấp bởi chân TRẠNG THÁI LT8698S và bộ theo dõi dòng điện IMON để chọn cấu hình bộ sạc mong muốn bằng cách điều khiển các chân đầu vào chân SEL1–3. Bằng cách này, bộ vi điều khiển có thể tối ưu hóa cấu hình bộ sạc cho thiết bị di động để sử dụng sạc an toàn ở dòng điện cao nhất có thể.

Bảng 1. Khả năng tương thích của LT8698S/LT8698S-1 với nhiều loại đầu nối USB, cấu hình bộ sạc và giao diện dữ liệu

Hình 6. Ứng dụng 5 V, 3 A, USB type-C.

 

Hình 7. A 2.4 A / 1.5 Một bộ sạc tự động phát hiện hồ sơ với màn hình hiện tại.

Giải pháp EMI

EMI thấp là yêu cầu chính đối với nguồn điện trong hệ thống điện tử ô tô, thường được mong đợi sẽ đáp ứng tiêu chuẩn khí thải CISPR 25 Class 5. LT8698S được thiết kế sử dụng công nghệ Silent Switcher® 2, cho phép nguồn điện USB đáp ứng các tiêu chuẩn EMI ô tô nghiêm ngặt này mà không làm giảm kích thước, hiệu quả và độ ưu việt của giải pháp.

Kiến trúc Silent Switcher 2 được kết hợp các tụ điện bỏ qua bên trong để cấu hình cho EMI tối thiểu bên trong gói LQFN. Việc tích hợp các tụ điện bỏ qua đơn giản hóa thiết kế bo mạch và giảm diện tích giải pháp tổng thể trong khi cần giảm thiểu ảnh hưởng của việc bố trí PCB lên hiệu suất EMI. LT8698S-1 không bao gồm các tụ điện bỏ qua bên trong này nhưng giống hệt với LT8698S. Điều chế tần số trải phổ có thể lựa chọn cũng như có sẵn trong cả hai thiết bị bằng cách đặt điện áp một chiều trên 3.0V vào chân SYNC / MODE. Theo dõi Hình 8 cho thấy hiệu suất EMI bức xạ của LT8698S trong các điều kiện ứng dụng điển hình.

LT8698S và LT8698S-1 hoạt động với tần số chuyển mạch, nó có thể lập trình và đồng bộ hóa trong dải từ 300 kHz đến 3 MHz. Tần số chuyển mạch cao hơn cho phép các giá trị cuộn cảm và tụ điện nhỏ hơn cho tổng kích thước dung dịch nhỏ hơn. Hình 9 cho thấy ngay cả ở tần số chuyển mạch tương đối cao là 2 MHz, giải pháp USB 12V đến 5V này vẫn đạt được hiệu suất 93%.

Hình 8. Hiệu suất EMI bức xạ (phát xạ bức xạ CISPR 25 với bộ dò đỉnh và giới hạn đỉnh Lớp 5).

Hình 9. Đường cong hiệu quả và ít tổn thất điện năng cho giải pháp USB 5V.

Phần kết luận

Cổng sạc USB, là một phần thiết yếu của hệ thống thông tin giải trí trên xe thời hiện đại, chúng tôi luôn phải đối mặt với nhiều thách thức hệ thống liên quan đến nguồn điện, hỗ trợ truyền dữ liệu và độ mạnh mẽ khi đối mặt với các sự kiện nguy hiểm trong thế giới thực ​​trong môi trường ô tô. Các ví dụ được hiển thị ở đây, sử dụng IC sạc USB LT8698S, giải quyết những thách thức này. Chúng sẽ hỗ trợ nhiều loại cấu hình bộ sạc thiết bị di động và có thể cung cấp công suất đầu ra lên đến 15W cho các ứng dụng sạc USB loại C. Ngoài ra, chúng bảo vệ máy chủ USB khỏi các điều kiện nguy hiểm tiềm ẩn như lỗi cáp và các sự kiện ESD nghiêm trọng. LT8698S cung cấp khả năng bảo vệ này trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu cần thiết để truyền dữ liệu USB tốc độ cao giữa máy chủ USB và thiết bị di động. Cuối cùng, kiến ​​trúc Silent Switcher 2 cung cấp hiệu suất EMI rất tuyệt vời mà không ảnh hưởng đến hiệu quả và kích thước giải pháp.

 

Giới thiệu về các tác giả: Tao Tao là kỹ sư ứng dụng cấp cao cho các sản phẩm điện tại Analog Devices, Inc., ở Santa Clara, California. Tao Tao hiện đang hỗ trợ cung cấp các ứng dụng cho các IC điều chỉnh chuyển mạch bước xuống. Trước khi đảm nhiệm vai trò hiện tại, Tao Tao đã làm việc tại Intersil Corporation về phát triển các mô-đun nguồn tích hợp. Sở trường của Tao Tao bao gồm bộ điều chỉnh và bộ chuyển đổi điện hiệu suất cao và mật độ cao, mô hình hóa và điều khiển bộ chuyển đổi điện, kỹ thuật giảm thiểu EMI, công nghệ đóng gói điện tử, thiết kế bảng mạch PCB và giải quyết mọi vấn đề kỹ thuật khác. Tao Tao lấy bằng thạc sĩ về kỹ thuật điện tại Học viện Bách khoa Virginia Đại học Bang Blacksburg, Virginia. Các bạn có thể liên hệ với anh ấy tại: tao.tao@analog.com.

Trevor Crane là chuyên gia thiết kế cao cấp tại ADI. Anh hiện đang làm việc cho Đơn vị Kinh doanh Điện của ADI tại Grass Valley với thiết kế bộ điều chỉnh buck đa kênh. Anh tốt nghiệp năm 2004 tại Đại học Stanford với bằng B.S. trong ngành kỹ thuật điện. Trevor trước đây đã từng đảm nhiệm các vai trò tại Linear Technology Corp. với tư cách là kỹ sư sản phẩm và kỹ sư thiết kế làm việc trên các sản phẩm điện rời rạc. Anh đã phát hành ba bộ điều chỉnh USB cho ô tô. Có thể liên hệ với anh ấy tại: trevor.crane@analog.com.

Liên hệ:

Hanoi Ho Chi Minh City
Electronic Components  
Arrow Office – 9h Floor – Diamond Flower Tower,  Hoang Dao Thuy Street, Thanh Xuan District, Hanoi, 100000, Vietnam
Arrow Electronics Asia (S) Pte.Ltd
Arrow Electronics Asia – 3rd Floor, GTL Building, 17A Dang Tran Con Street Ben Thanh Ward, District 1, HCMC, Vietnam, 700000
P +84 24 7303 3886
F +84 4 3943 7208
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Analog.com 

 

MAP

P +84 28 3823 4407
F +84 8 3528 5407
sales.vietnam@arrowasia.com
www.Arrow.com 

 

MAP

 

 

 

Quảng cáo

Bài viết mới

Share This
IA VIETNAM - Đăng ký nhận tạp chí miễn phí

Điền thông tin của bạn và gửi về cho chúng tôi, IA Vietnam sẽ tư vấn và gửi cho bạn. Cảm ơn bạn đã hợp tác cùng chúng tôi

    X
    NHẬN TẠP CHÍ