Dispositivo alimentado por USB con múltiples condensadores de desacoplamiento

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Tengo un dispositivo USB con múltiples circuitos integrados. Por lo que he leído, es una práctica estándar usar una combinación de condensadores de rango múltiple para desacoplar cada CI individual, con el más pequeño lo más cerca posible y los condensadores más grandes no muy lejos.

Sin embargo, me encuentro con un dilema:

Según esta fuente , la capacidad máxima de desacoplamiento permitida para un dispositivo USB es de 10uF. Con varios IC que tienen una combinación de condensadores de desacoplamiento de 0.1uF y 2.2uF / 4.7uF, estoy excediendo fácilmente este límite porque están todos en paralelo.

La única solución que se me ocurre es reducir / eliminar el condensador de desacoplamiento más grande y / o tratar de agrupar algunos condensadores de desacoplamiento más grandes de IC mientras se mantienen los condensadores de desacoplamiento más pequeños cerca de cada IC.

En mi opinión, ninguna de estas soluciones parece ideal. ¿Cuál es el diseño de desacoplamiento recomendado para múltiples circuitos integrados en un dispositivo con alimentación USB?

El consumo de energía teórico de todos los IC en uso todavía está por debajo del límite que se puede suministrar a través de USB 2.0.

usb decoupling-capacitor

— helloworld922
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Los (típicamente) 100n C son para picos de corriente relativamente grandes y de corta duración que deben suministrarse desde una fuente cercana al chip. Los valores de> 1uF C tienen una tarea más amplia en todo el tablero. Cuando tenga, digamos 50 de los 100nF C, simplemente omitiría el> 1 uF. La horda china de 100nF C ya suministra la capacidad requerida para toda la placa.

— Wouter van Ooijen

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Algunos se relacionaron de inmediato con su pregunta, pero algo a tener en cuenta si está utilizando condensadores grandes: el USB no solo tiene un límite de corriente de entrada, sino también un límite de cuánto tiempo un dispositivo puede presentar 5 V en VBUS después de que el host lo haya apagado . Tal vez alguien sabe una referencia exacta?

— ARF

@ARF Esto es un poco un necro-post, pero encontré lo siguiente en la especificación USB2: "Cuando se quita VBUS, el dispositivo debe quitar la energía de la resistencia pull-up D + / D- en 10 segundos". No recuerdo un requisito para eliminar 5V de VBus, pero eso afectará mi diseño actual si lo hay. ¿Podría ser esta la especificación en la que estabas pensando?

— Jason_L_Bens

Llego bastante tarde para esto, pero @Jason_L_Bens, ¿recibiste una respuesta?

— Tim Jager

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Si bien no es exactamente lo que está buscando, he utilizado circuitos integrados de administración de energía para lograr esto. Por ejemplo, el TPS2113APW . Prefiero este chip específico porque me permite hacer dispositivos de doble alimentación que pueden funcionar con una pared o sin USB, prefiriendo automáticamente la energía de la pared si está disponible.

Si no necesita doble alimentación, puede usar algo como MIC2545A

Finalmente, cualquier capacitancia "detrás" del IC de administración de energía (es decir, conectada a las salidas IC) no es "vista" por el USB; el bus solo ve la capacitancia "delante" del IC (es decir, conectado a las entradas de IC).

Aún debe preocuparse por la corriente de entrada (la parte "más cualquier efecto capacitivo visible a través del regulador" de la especificación), pero esos circuitos integrados también tienen una limitación de corriente variable. Calcule las resistencias paralelas que necesita tener una limitación de 100 mA y una limitación de 500 mA (y opcionalmente una limitación de n mA si desea limitar la potencia de la pared), y luego use FET para acortar las resistencias según sea necesario para habilitar varias limitaciones.

A través de estos chips, conecté PCB con varios cientos de uF al USB, y un DMM configurado en la corriente rápida máxima verificó que la entrada durante la conexión no excedió los 100 mA.

— ajs410
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Finalmente decidí ir con el chip NCP380LSN05AAT1G. Similar al MIC2545A pero fue diseñado para aplicaciones USB.

— helloworld922

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Si sigue este enfoque, asegúrese de que haya al menos 1 uF en el lado de VBus. Este requisito se ha agregado con el advenimiento de USB On The Go, y es necesario para que funcione el Protocolo de detección de adjuntos.

— ajs410

Lo estoy usando para arrancar suavemente partes de mi dispositivo (lado analógico). El procesador principal (capacitancia de desacoplamiento total ~ 5uF, aunque la mayoría de ellos se ejecuta solo desde la uC a tierra) está conectado directamente al USB y las tapas e IC restantes están detrás del regulador.

— helloworld922

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Un dispositivo USB no puede presentar más de 10uF de capacitancia cuando está conectado. Esto no significa necesariamente que solo pueda tener 10uF de condensadores, sino que debe limitar la corriente de entrada a la requerida para cargar 10uF en la conexión. De la especificación USB:

La carga máxima (CRPB) que se puede colocar en el extremo aguas abajo de un cable es de 10 μF en paralelo con 44 Ω. La capacitancia de 10 μF representa cualquier condensador de derivación conectado directamente a través de las líneas VBUS en la función más cualquier efecto capacitivo visible a través del regulador en el dispositivo. La resistencia de 44 Ω representa una unidad de carga de corriente consumida por el dispositivo durante la conexión.

Además:

Si se requiere más capacidad de derivación en el dispositivo, entonces el dispositivo debe incorporar alguna forma de limitación de corriente de sobretensión VBUS, de modo que coincida con las características de la carga anterior.

Como probablemente sepa, su dispositivo puede extraer 1 unidad de potencia, o 100 mA, después de la conexión sin ninguna negociación.

Si estuviera diseñando un dispositivo USB de alta potencia, entonces:

A. Vive con el requisito de 10uF, como si estoy usando una fuente de alimentación conmutada o si mi VDD será de 3.3V

o

B. Use un circuito de "arranque suave" como una resistencia de 47 ohmios en serie con mi enorme condensador a granel. Use un comparador para detectar el voltaje a través del condensador a granel. Cuando el voltaje esté dentro de los 100 mV del voltaje del bus USB, haga que el comparador encienda un P-MOSFET que acorte la resistencia de 47 ohmios.

Esquema de inicio suave USB

— Martin K
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Si dibuja 100 mA el voltaje a través de un 47 y Omega; la resistencia no se acercará incluso a 100 mV, necesitaría un 1 y Omega; resistencia entonces, pero ya no tendrá un arranque suave. Y tal vez no necesite comparador y FET, como cuando usaría los 5 V solo para un regulador LDO.

— stevenvh

Dije "100mV" y luego mi diagrama de circuito muestra más como 500mV. El voltaje no es la parte importante, es más importante mantenerse por debajo del requisito de 100 mA cuando se está cargando la tapa a granel. Perdón por la confusion.

— Martin K

Es una buena idea, pero creo que la caída de voltaje es importante. Si cambia el FET cuando aún quedan 500 mV por recorrer, C2 puede causar el tipo de pico de corriente que el bus USB no quiere ver en primer lugar. También agregaría algo de histéresis a ese opamp (si es un opamp, no lo dice).

— stevenvh

Todos los buenos puntos. Lo dije como un punto de partida para su propia solución.

— Martin K

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hay un ejemplo en las Pautas de diseño de hardware USB para circuitos integrados FTDI Sección 2.4.2 Capacitancia masiva frente a corriente de entrada con un pin de

— activación del

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Los de 100 nF son los más cruciales. Asegúrese de colocarlos y, como usted dice, lo más cerca posible de los pasadores.

2.2 / 4,7 µF para colocar en paralelo es un valor alto, y no debería requerirse en una fuente de alimentación desacoplada adecuadamente. Especialmente no en cada IC. Aquí la fuente de alimentación estará a cierta distancia, y luego se recomienda un condensador de unos µF. Use el valor más alto que aún puede permitirse después de restar los 100 nF y colóquelo cerca del IC que generará la mayor cantidad de corriente, a menos que sea el otro extremo de donde el USB ingresa a la PCB. Entonces tendrá que comprometerse: en el camino desde el conector USB, y no muy lejos de los mayores consumidores actuales.

— stevenvh
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La regla de "capacitancia máxima a través del pin Vbus" tiene como objetivo evitar que el voltaje Vbus caiga lo suficientemente bajo como para restablecer los otros dispositivos USB cada vez que se conecta un nuevo dispositivo USB.

He visto algunos dispositivos USB que solo necesitan un cordón de ferrita para mantener la corriente de entrada dentro de las especificaciones. Conectan solo 2 cosas al pin Vbus del conector USB: la capacitancia de desacoplamiento VBUS mínima de 1uF directamente a través de los pines Vbus y GND del conector USB, y un cordón de ferrita que suministra energía al resto del dispositivo. Eso les permite usar una capacidad neta de poco más de 10 uF en el otro lado de ese cordón de ferrita.

La mayoría de los esquemas para dispositivos alimentados por USB que he visto tienen un regulador de voltaje que convierte entre 4.45 V a 5.25 V del host USB a 3.3 V utilizados por todos los chips en el dispositivo. El uso de un regulador de voltaje con un circuito de "arranque suave" mantiene la corriente de entrada dentro de las especificaciones; eso le permite al diseñador poner cualquier cantidad de capacitancia en la salida del regulador, entre 3.3 V y GND, sin ningún problema en el lado USB.

— davidcary
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