설계 솔루션:적은 공간을 사용하여 차량에 USB 포트 추가

이 기사에서는 필요한 모든 부품을 포함하고 장치에 5V를 공급하는 단일 칩을 사용하여 차량에 추가 USB 충전 포트를 추가하는 솔루션을 살펴봅니다.

이 기사에서는 필요한 모든 부품을 포함하고 장치에 5V를 공급하는 단일 칩을 사용하여 차량에 추가 USB 충전 포트를 추가하는 솔루션을 살펴봅니다.

현대 자동차의 내부에는 휴대용 전자 제품을 충전하기 위해 헤드 유닛, 글러브 컴파트먼트, 팔걸이 및 뒷좌석에 배치된 여러 USB 포트가 있습니다(그림 1). 이 포트는 캡티브 케이블을 통해 라디오 헤드 유닛의 USB 호스트 충전기/어댑터에 연결됩니다.

그림 1. 승객용 USB 플러그가 있는 현대식 자동차 콘솔입니다.

위치에 따라 케이블 길이는 몇 피트에 이를 수 있어 자동차에서 옴 전압 강하 및 EMI 방사 문제를 일으킬 수 있습니다. 많은 수의 USB 포트는 USB 충전기에 과부하를 일으켜 무선 헤드 유닛에 과도한 열을 발생시켜 시스템 안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 이 기사에서는 기존 자동차 USB 호스트 솔루션의 단점에 대해 설명하고 최소한의 공간을 필요로 하고 발열을 크게 줄이는 동시에 증가하는 USB 포트를 쉽게 지원하는 새로운 고집적 솔루션을 제시합니다.

기존 솔루션

일반적인 차량용 USB 어댑터는 휴대용 장치와 충전기/어댑터 간에 성공적인 핸드셰이크가 설정된 후 5V 전원을 휴대용 장치(PD)에 공급합니다. 일부 충전기/어댑터 솔루션은 소중한 공간을 차지하고 구현하기 어려운 케이블 보상이 필요한 다중 칩을 필요로 합니다. 다른 솔루션은 비동기식 스위칭 레귤레이터로 5V 전압 소스를 구현하여 과도한 전력 손실을 초래합니다. 공간 비효율적인 손실 솔루션은 비용이 많이 들고 궁극적으로 신뢰성이 떨어집니다. 이러한 솔루션은 자동차에 더 많은 USB 포트를 탑재하는 추세에 필요한 차세대 아키텍처를 지원하지 않습니다.

자동차 전자 제품에 사용할 수 있는 공간은 계속 줄어들고 있습니다. 또한 많은 솔루션에는 스위칭 조정기 변조 주파수에서 EMI 방사 방출을 최소화하는 확산 스펙트럼 주파수 변조가 포함되어 있지 않습니다.

이상적인 솔루션

이상적인 어댑터/충전기 솔루션은 필요한 모든 기능을 단일 칩에 통합하여 설계 용이성과 공간 절약을 제공합니다. 그림 2(USB ADAPTER IC)에 표시된 솔루션은 최적의 효율성을 위한 동기 정류 벅 컨버터(SR BUCK)와 부하 전류를 측정하기 위한 감지 증폭기를 통합합니다. 피드백 루프는 부하 전류와 케이블의 저항에 비례하여 출력 VSENSP를 높여 USB 케이블 전압 강하를 정확히 상쇄하고 부하 전류와 무관하게 장치에 5V를 제공합니다. 고전류 기능은 현대 자동차에서 증가하는 USB 포트 수를 지원하는 데 필수 요소입니다.

그림 2에서 데이터 라인(HVD-, HVD+, D-, D+)은 충전 전 초기 핸드셰이크를 위해 호스트와 클라이언트 장치 간의 통신을 구현합니다.

그림 2. 차량용 USB 5V 어댑터 회로도

이러한 기능은 USB 보호 및 호스트 충전기/어댑터 에뮬레이션 기능이 있는 MAX20037/MAX20038 자동차 고전류 강압 컨버터에서 찾을 수 있습니다. IC는 3.5A 자동차 등급 강압 컨버터, USB 호스트 충전기/어댑터 에뮬레이터, 자동차 USB 호스트 애플리케이션용 USB 보호 스위치를 결합합니다. 고전류 기능은 많은 USB 포트를 지원합니다.

작은 크기

2.2MHz에서 작동하면 출력 리플을 줄이고 외부 부품을 더 작게 만들 수 있으며 소형(5mm x 5mm) 28핀 TQFN IC 패키지와 결합하여 PCB 공간을 최소화합니다.

고효율

가장 일반적인 강압 스위칭 아키텍처는 비동기식 벅 컨버터입니다. 이 아키텍처에서 로우 사이드 정류기는 IC 외부의 쇼트키 다이오드입니다. 반면에 동기식 아키텍처를 사용하여 다이오드는 동기식 정류기 역할을 하는 통합된 저저항 로우사이드 MOSFET으로 대체됩니다. MOSFET 트랜지스터의 RDS(ON)에서 작은 강하와 함께 다이오드에서 높은 전압 강하를 절충합니다. 동기식 정류는 일반적인 솔루션에서 사용하는 비동기식 컨버터보다 훨씬 높은 효율을 제공합니다. 동기 정류 덕분에 이 장치는 90%가 훨씬 넘는 피크 효율을 달성합니다(그림 3).

그림 3. MAX20037/MAX20038 효율성

케이블 보정

이 장치 제품군에는 USB 부하 전류 감지 증폭기와 구성 가능한 피드백 조정 회로가 포함되어 있으며, 캡티브 케이블의 전압 강하에 대한 자동 USB 전압 보상을 제공하도록 설계되었습니다. I ² 를 통해 케이블 보상 및 진단을 쉽게 구현할 수 있습니다. 씨버스. 외부 프로그래밍 저항은 I ² 의 대안으로 사용됩니다. C 버스.

저소음

IC는 강제 PWM 모드(FPWM)에서 일정한 주파수로 작동합니다. 선택적인 확산 스펙트럼 주파수 변조는 변조 주파수로 인한 EMI 방사 방출을 최소화하도록 설계되었습니다. 그림 3에서 장치 주파수는 무선 주파수 간섭을 줄이기 위해 AM 대역보다 높은 2.2MHz로 설정되어 있습니다.

부하 규정 준수

IC는 USB 규격 및 비호환 부하 모두와 호환됩니다. 호환 USB 장치는 30mA 이상 싱크할 수 없으며 처음 포트에 연결될 때 10μF 이상의 커패시턴스를 나타내지 않아야 합니다. 그런 다음 장치는 D+/D- 연결 및 열거 프로세스를 시작합니다. "연결" 프로세스가 완료된 후 장치는 전류를 끌어올 수 있으며(USB2.0의 경우 100mA, USB3.0의 경우 150mA) 정전 용량이 10μF보다 커서는 안 됩니다.

ESD 보호

이 장치는 저전압 고대역폭 데이터 스위치(MAX20037)와 고전압 고ESD 데이터 스위치(MAX20038)를 갖추고 있습니다. MAX20037은 최대 6V에 대한 데이터 스위치 보호 기능과 외부 ESD 어레이를 통한 높은 ESD 보호 기능을 제공합니다. MAX20038은 최대 18V에 대한 데이터 스위치 보호 기능과 내부 ESD 보호 회로로 높은 ESD 보호 기능을 제공합니다.

결론

현대 자동차의 내부는 휴대용 전자 제품 충전을 위한 여러 USB 포트로 채워져 있어 충전기/어댑터를 위한 공간 및 발열 문제가 발생합니다. 이러한 포트를 라디오 헤드 유닛의 USB 호스트에 연결하는 케이블은 저항 전압 강하 및 EMI 방사 문제를 야기합니다. 이 기사에서는 기존 솔루션의 단점에 대해 설명하고 고전류 기능과 최소한의 공간 점유, 잡음 및 열 발생으로 많은 수의 포트를 지원하는 MAX20037/MAX20038 고집적, 자동차 강압 컨버터를 소개했습니다. I ² 를 통해 케이블 옴 손실을 쉽게 보상합니다. C 버스 또는 외부 프로그래밍 저항을 통해.

자세히 알아보기

MAX20037/MAX20038 USB 보호/호스트 충전기 어댑터 에뮬레이션 기능이 있는 자동차 고전류 강압 컨버터

업계 기사는 업계 파트너가 편집 콘텐츠에 적합하지 않은 방식으로 All About Circuits 독자와 유용한 뉴스, 메시지 및 기술을 공유할 수 있는 콘텐츠 형식입니다. 모든 산업 기사는 독자에게 유용한 뉴스, 기술 전문 지식 또는 이야기를 제공하기 위해 엄격한 편집 지침을 따릅니다. 업계 기사에 표현된 관점과 의견은 파트너의 것이며 반드시 All About Circuits 또는 해당 작성자의 의견은 아닙니다.