logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Projektowanie zasilaczy dla urządzeń USB OTG

ghost666 02 Cze 2017 18:15 3153 0
  • USB (Universal Serial Bus - uniwersalny interfejs szeregowy) jest już z nami od wielu lat. W początkowych swoich implementacjach interfejs ten zakładał sztywną architekturę master-slave, gdzie rolę tego pierwszego pełnił zazwyczaj komputer, komunikujący się z urządzeniami takimi jak smartfony, dyski przenośne, drukarki czy kamery (i wiele wiele innych). Z biegiem czasu w elektronice konsumenckiej narastała jednakże potrzeba udoskonalenia tego interfejsu o możliwości komunikowania ze sobą wielu różnych urządzeń, na przykład podłączenia dysku przenośnego do smartfona, czy aparatu fotograficznego bezpośrednio do drukarki.

    Opisany powyżej trend spowodował powstanie USB OTG (On-The-Go - w locie). W tej implementacji interfejs pozwala na sterowanie urządzeniem tak, że zależnie od sytuacji, przyjmuje ono rolę mastera lub slave. Urządzenie, każdorazowo, dobiera swoją rolę i tak wyposażony w USB OTG smartfon może przechowywać pliki na dysku USB lub obsługiwać drukarkę z takim portem, będąc dla tych urządzeń masterem, ale już np. po podłączeniu do komputera PC uruchomić interfejs jako slave. Wszystko zmienia się w locie. Technologia ta jest szeroko wykorzystywana nie tylko w smartfonach. Często spotyka się porty USB OTG w aparatach fotograficznych, dyskach USB etc. Dzięki temu możliwe jest drukowanie zdjęć bezpośrednio z aparatu czy dysku przenośnego itp. Przykładowy dysk przenośny z USB OTG zaprezentowano na rysunku 1 (poniżej).

    Projektowanie zasilaczy dla urządzeń USB OTG Rys.1. Dysk z USB OTG.


    Większość implementacji USB OTG spotyka się w urządzeniach przenośnych, z których znaczna część zasilana jest ogniwami litowo-jonowymi dającymi napięcie zasilania od 2,7 V do 4 V. Oznacza to, że do zasilania interfejsu - wymagającego 5 V - potrzebna jest przetwornica typu boost, pozwalająca na podniesienie napięcia zasilania do wymaganego poziomu.

    Wraz ze zwiększaniem się prędkości transmisji, na Forum Implementatorów USB podjęto decyzję, że konieczne jest także podniesienie wartości maksymalnego dopuszczalnego prądu, pobieranego przez interfejs. I tak, w ten oto sposób, ustalony w zeszłym roku limit, to aż 3 A z linii 5 V dla USB OTG.

    Aby dobrze wykorzystać to zasilanie konieczny jest odpowiedni układ zasilania po stronie urządzenia zasilanego przez USB. Przykładem takiej przetwornicy, dedykowanej do tego rodzaju aplikacji, jest TPS61230A firmy Texas Instruments. Idealnie nadaje się ona do smartfonów czy innych urządzeń mobilnych, gdzie krytyczne są wielkość jak i ilość generowanego przez układ ciepła. Układ ten osiąga bardzo dobry kompromis pomiędzy tymi czynnikami jednocześnie oferując wydajność prądową do 2,4 A przy 5V. Przykładowa aplikacja tego układu pokazana jest na rysunku 2,

    Projektowanie zasilaczy dla urządzeń USB OTG
    Rys.2. Schemat blokowy przykładowej aplikacji przetwornicy w torze zasilania dla USB OTG


    TPS61230A posiada w swojej strukturze dwa tranzystory polowe o niskim RDS(on) wynoszącym około 18 m? w trybie szybkiego przełączania i 21 m? w trybie wolnego przełączania kluczy. Dzięki temu układ osiąga bardzo wysoką wydajność konwersji. Na rysunku 3 widać jak korzystnie wpływa to na pracę układu - prawie w ogóle się on nie grzeje. Na zaprezentowanym termogramie pokazano układ pracujący przy napięciu wejściowym 3,6 V, wyjściowym 5 V i prądzie 2A.

    Projektowanie zasilaczy dla urządzeń USB OTG
    Rys.3. Termogram pracującej przetwornicy.


    Częstotliwość pracy TPS61230A może wynosić aż do 1,15 MHz, dzięki czemu można wykorzystywać w układzie niewielkie indukcyjności i pojemności do filtrowania napięcia. TPS61230A jest także układem bardzo kompaktowym - dostarczany jest w obudowie QFN mającej zaledwie 2 mm x 2 mm i siedem pinów wyjściowych. Dzięki obudowie zaprojektowanej do dużych prądów wyjściowych układ łatwo rozprasza nadmiarowe ciepło (przy przelotkach pod układem rezystancja termiczna układu wynosi 56°C/W. Finalnie TPS6120A ułatwia projektowanie systemu zasilania, dzięki rozłożeniu pinów zasilania w sposób umożliwiający dobre rozmieszczenie elementów elektronicznych na płytce drukowanej.

    Na rysunku 4 zaprezentowano krzywą wydajności przetwornicy dla kilku napięć wyjściowych. TPS61230A osiąga wydajność do 94% przy napięciu wyjściowym 5 V, wejściowym 3,6 V i prądzie 3 A. Jak widać na zaprezentowanym rysunku wydajność jest także bardzo wysoka już dla niewielkich prądów na poziomie 1 mA

    Projektowanie zasilaczy dla urządzeń USB OTG
    Rys.4. Krzywa wydajności TPS61230A w funkcji pobieranego prądu (skala logarytmiczna) dla kilku napięć zasilania.


    Podsumowując - dzięki wykorzystaniu wbudowanych MOSFETów o niskiej rezystancji, dzięki TPS61230A możliwe jest skonstruowanie niewielkiej, energooszczędnej i nie generującej zbyt wiele ciepła przetwornicy do zasilania układów USB OTG.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/04/21/design-competitive-usb-otg-power-supply

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA