Dispositivo USB con più condensatori di disaccoppiamento

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Ho un dispositivo USB con più circuiti integrati. Da quello che ho letto è prassi normale utilizzare una combinazione di condensatori a range multiplo per disaccoppiare ogni singolo CI, con il più piccolo possibile il più vicino possibile e condensatori più grandi non troppo lontani.

Tuttavia, sto incontrando un dilemma:

Secondo questa fonte , la capacità massima di disaccoppiamento consentita per un dispositivo USB è di 10 uF. Con diversi circuiti integrati che hanno tutti una combinazione di condensatori di disaccoppiamento da 0.1uF e 2.2uF / 4.7uF, sto facilmente superando questo limite perché sono tutti in parallelo.

L'unica soluzione a cui riesco a pensare è quella di ridurre / eliminare il condensatore di disaccoppiamento più grande e / o provare a raggruppare insieme alcuni condensatori di disaccoppiamento più grandi di IC mantenendo i condensatori di disaccoppiamento più piccoli vicini a ciascun IC.

Nella mia mente nessuna di queste soluzioni sembra ideale. Qual è il layout di disaccoppiamento consigliato per più circuiti integrati su un dispositivo USB?

Il consumo di energia teorico di tutti i circuiti integrati in uso è ancora al di sotto del limite che può essere fornito tramite USB 2.0.

usb decoupling-capacitor

— helloworld922
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I (tipicamente) 100n C sono per picchi di corrente relativamente grandi e di breve durata che devono essere forniti da una sorgente vicina al chip. Il valore> 1uF C ha un compito più ampio a livello di scheda. Quando diciamo 50 dei 100nF C, lascerei semplicemente fuori> 1 uF. La capacità richiesta a livello di scheda è già fornita dall'orda cinese di 100nF C.

— Wouter van Ooijen,

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Alcuni si sono immediatamente collegati alla tua domanda, ma qualcosa da tenere a mente se stai utilizzando grandi condensatori: USB non ha solo un limite di corrente di spunto, ma anche un limite per quanto tempo un dispositivo può presentare 5 V su VBUS dopo che è stato spento dall'host . Forse qualcuno conosce un riferimento esatto?

— ARF,

@ARF Questo è un po 'un necro-post, ma ho trovato quanto segue nelle specifiche USB2: "Quando viene rimosso VBUS, il dispositivo deve rimuovere l'alimentazione dal resistore pull-up D + / D- entro 10 secondi." Non ricordo un requisito per la rimozione di 5 V da VBus, ma ciò avrà un impatto sul mio progetto attuale, se presente. Potrebbe essere questa la specifica a cui stavi pensando?

— Jason_L_Bens,

Sono in ritardo per questo, ma @Jason_L_Bens, hai ricevuto una risposta?

— Tim Jager,

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Sebbene non sia esattamente quello che stai cercando, ho utilizzato circuiti integrati di gestione dell'alimentazione per raggiungere questo obiettivo. Ad esempio, TPS2113APW . Preferisco questo chip specifico perché mi consente di realizzare dispositivi a doppia alimentazione in grado di funzionare con una verruca a muro o tramite USB, preferendo automaticamente l'alimentazione a muro se è disponibile.

Se non hai bisogno della doppia alimentazione, potresti usare qualcosa come il MIC2545A

In definitiva, qualsiasi capacità "dietro" all'IC di gestione dell'alimentazione (ovvero collegata alle uscite dell'IC) non è "vista" dall'USB; il bus vede solo la capacità "davanti" all'IC (cioè collegato agli ingressi IC).

Devi ancora preoccuparti della corrente di spunto - la parte "più eventuali effetti capacitivi visibili attraverso il regolatore" della specifica - ma questi circuiti integrati hanno anche un limite di corrente variabile. Capire le resistenze parallele che è necessario avere una limitazione di 100 mA e una limitazione di 500 mA (e facoltativamente una limitazione di n mA se si desidera limitare la potenza della parete), quindi utilizzare i FET per cortocircuitare i resistori secondo necessità per consentire varie limitazioni.

Attraverso questi chip, ho collegato PCB con diverse centinaia di uF all'USB e un DMM impostato su max corrente veloce ha verificato che lo spunto durante l'attacco non superasse i 100 mA.

— ajs410
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Alla fine ho deciso di utilizzare il chip NCP380LSN05AAT1G. Simile a MIC2545A ma è stato progettato per applicazioni USB.

— helloworld922,

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Se segui questo approccio, assicurati che ci sia almeno 1 uF sul lato VBus. Questo requisito è stato aggiunto con l'avvento di USB On The Go ed è necessario affinché il protocollo di rilevamento allegati funzioni.

— ajs410,

Lo sto usando per avviare soft-start parti del mio dispositivo (lato analogico). Il processore principale (capacità di disaccoppiamento totale ~ 5uF, anche se la maggior parte di questi funziona solo da uC a terra) è collegato direttamente all'USB e i rimanenti tappi e circuiti integrati sono dietro il regolatore.

— helloworld922,

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Un dispositivo USB non può presentare più di 10 uF di capacità quando è collegato. Questo non significa necessariamente che si possono avere solo 10 uF di condensatori, ma è necessario limitare la corrente di spunto a quella richiesta per caricare un 10 uF al momento della connessione. Dalle specifiche USB:

Il carico massimo (CRPB) che può essere posizionato all'estremità a valle di un cavo è 10 μF in parallelo con 44 Ω. La capacità di 10 μF rappresenta qualsiasi condensatore di bypass collegato direttamente attraverso le linee VBUS nella funzione più eventuali effetti capacitivi visibili attraverso il regolatore nel dispositivo. La resistenza di 44 Ω rappresenta un'unità di carico assorbita dalla corrente durante il collegamento.

Inoltre:

Se nel dispositivo è richiesta una maggiore capacità di bypass, il dispositivo deve incorporare una qualche forma di limitazione della corrente di picco VBUS, in modo che corrisponda alle caratteristiche del carico sopra indicato.

Come probabilmente saprai, il tuo dispositivo può assorbire 1 unità di alimentazione, o 100 mA, al momento della connessione senza alcuna negoziazione.

Se avessi progettato un dispositivo USB ad alta potenza, avrei:

A. Vivi con il requisito 10uF, ad esempio se sto usando un alimentatore a commutazione o se il mio VDD sarà 3.3V

o

B. Usa un circuito "soft start" come un resistore da 47 ohm in serie con il mio enorme condensatore di massa. Utilizzare un comparatore per rilevare la tensione attraverso il condensatore di massa. Quando la tensione è entro 100 mV dalla tensione del bus USB, fare in modo che il comparatore accenda un P-MOSFET che mette in corto circuito la resistenza da 47 ohm.

Schema soft start USB

— Martin K
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Se si disegna 100 mA la tensione su un 47 e Omega; la resistenza non si avvicinerà nemmeno a 100 mV, avresti bisogno di 1 e Omega; resistore allora, ma poi non avrai più un avvio graduale. E forse non hai bisogno di comparatore e FET, come quando utilizzeresti il 5 V solo per un regolatore LDO.

— Stevenvh,

Ho detto "100mV" e poi il mio schema elettrico mostra più come 500mV. La tensione non è la parte importante, è più importante rimanere sotto il requisito di 100 mA quando si carica il tappo di massa. Dispiace per la confusione.

— Martin K,

È una buona idea, ma penso che la caduta di tensione sia importante. Se si commuta il FET quando ci sono ancora 500 mV per andare in C2, si potrebbe comunque causare il tipo di picco corrente che il bus USB non vuole vedere in primo luogo. Vorrei anche aggiungere un po 'di isteresi a quell'opamp (se è un opamp, non dice).

— Stevenvh,

Tutti i punti positivi. Lo intendevo come punto di partenza per la tua soluzione.

— Martin K,

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c'è un esempio nelle Linee guida di progettazione hardware USB per circuiti integrati FTDI, sezione 2.4.2 Capacità di massa e corrente di spunto con un pin di abilitazione microcontrollore

— endolith,

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I 100 nF sono i più cruciali. Assicurati di posizionarli e come dici tu il più vicino possibile ai pin.

2.2 / 4,7 µF da posizionare in parallelo è un valore elevato e non dovrebbe essere richiesto in un alimentatore correttamente disaccoppiato. Soprattutto non su ogni circuito integrato. Qui l'alimentatore sarà a una certa distanza e quindi si consiglia vivamente un condensatore di alcuni µF. Usa il valore più alto che puoi permetterti dopo aver sottratto i 100 nF e posizionalo vicino all'IC che attirerà il massimo corrente, a meno che non sia l'altra estremità del punto in cui l'USB entra nel PCB. Quindi dovrai scendere a compromessi: nel percorso dal connettore USB e non troppo lontano dai più grandi consumatori attuali.

— stevenvh
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La regola della "capacità massima attraverso il pin Vbus" ha lo scopo di evitare che la tensione Vbus scenda abbastanza in basso da ripristinare gli altri dispositivi USB ogni volta che viene inserito un nuovo dispositivo USB.

Ho visto alcuni dispositivi USB che hanno solo bisogno di un tallone di ferrite per mantenere la corrente di spunto all'interno delle specifiche. Collegano solo 2 cose al pin Vbus del connettore USB: la capacità di disaccoppiamento VBUS minimo 1uF direttamente attraverso i pin Vbus e GND del connettore USB e un tallone in ferrite che fornisce energia al resto del dispositivo. Ciò consente loro di utilizzare una capacità netta di poco più di 10 uF sull'altro lato del tallone di ferrite.

La maggior parte degli schemi dei dispositivi alimentati tramite USB che ho visto hanno un regolatore di tensione che converte tra i 4,45 V a 5,25 V dall'host USB ai 3,3 V utilizzati da tutti i chip sul dispositivo. L'uso di un regolatore di tensione con un circuito "soft start" mantiene la corrente di spunto all'interno delle specifiche; ciò consente al progettista di mettere qualsiasi quantità di capacità sull'uscita del regolatore - tra 3,3 V e GND - senza problemi sul lato USB.

— davidcary
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