設計ソリューション：少量のスペースを使用して車両にUSBポートを追加する

この記事では、必要なすべての部品を含む単一のチップを使用して車両にUSB充電ポートを追加し、デバイスに5Vを供給するソリューションについて説明します。

この記事では、必要なすべての部品を含む単一のチップを使用して車両にUSB充電ポートを追加し、デバイスに5Vを供給するソリューションについて説明します。

現代の車のインテリアには、ポータブル電子機器を充電するための複数のUSBポート（ヘッドユニット、小物入れ、アームレスト、後部座席に配置）が設置されています（図1）。これらのポートは、キャプティブケーブルを介してラジオヘッドユニットのUSBホスト充電器/アダプターに接続します。

図1。 乗客用のUSBプラグを備えた最新のカーコンソール。

場所によっては、ケーブルの長さが数フィートに達する可能性があり、自動車にオーム電圧降下とEMI放射の問題が発生します。 USBポートの数が多いと、USB充電器に大きな負荷がかかり、ラジオヘッドユニットに過度の熱が発生して、システムの信頼性に影響を与える可能性があります。この記事では、既存の自動車用USBホストソリューションの欠点について説明し、必要なスペースを最小限に抑えて発熱を大幅に削減しながら、増え続けるUSBポートを簡単にサポートする新しい高度に統合されたソリューションを紹介します。

既存のソリューション

一般的な車のUSBアダプターは、ポータブルデバイスと充電器/アダプターの間でハンドシェイクが正常に確立された後、5V電源をポータブルデバイス（PD）に供給します。一部の充電器/アダプタソリューションは、貴重なスペースを占有し、実装が困難なケーブル補償を必要とする複数のチップを必要とします。他のソリューションは、非同期スイッチングレギュレータを備えた5V電圧源を実装しているため、過度の電力損失が発生します。スペース効率の悪い損失の多いソリューションはコストがかかり、最終的には信頼性が低くなります。このようなソリューションは、自動車にUSBポートを追加する傾向が高まっているために必要な次世代のアーキテクチャをサポートしません。

自動車用電子機器に利用できるスペースの量は、絶えず縮小しています。多くのソリューションには、スイッチングレギュレータの変調周波数からのEMI放射エミッションを最小限に抑えるスペクトラム拡散周波数変調も含まれていません。

理想的なソリューション

理想的なアダプタ/充電器ソリューションは、必要なすべての機能を1つのチップに組み込んで、設計を容易にし、スペースを節約します。図2に示すソリューション（USB ADAPTER IC）には、最適な効率を実現する同期整流バックコンバーター（SR BUCK）と、負荷電流を測定するためのセンスアンプが組み込まれています。フィードバックループは、負荷電流とケーブルの抵抗に比例して出力VSENSPを上昇させ、USBケーブルの電圧降下を正確にキャンセルし、負荷電流に関係なく5Vをデバイスに供給します。現代の自動車で増え続けるUSBポートをサポートするには、大電流機能が必須です。

図2では、データライン（HVD-、HVD +、D-、D +）が、充電前の最初のハンドシェイクのためにホストデバイスとクライアントデバイス間の通信を実装しています。

図2。 車のUSB5Vアダプターの回路図

これらの機能は、USB保護とホスト充電器/アダプタエミュレーションを備えたMAX20037 / MAX20038自動車用大電流降圧コンバータにあります。これらのICは、3.5Aの自動車グレードの降圧コンバーター、USBホスト充電器/アダプターエミュレーター、および自動車用USBホストアプリケーション用のUSB保護スイッチを組み合わせたものです。大電流機能により、多くのUSBポートが容易になります。

小さいサイズ

2.2MHzでの動作により、出力リップルの低減と外付け部品の小型化が可能になり、小型（5mm x 5mm）の28ピンTQFN ICパッケージと組み合わせることで、PCBスペースの占有を最小限に抑えることができます。

高効率

最も一般的な降圧スイッチングアーキテクチャは、非同期バックコンバータです。このアーキテクチャでは、ローサイド整流器はICの外部にあるショットキーダイオードです。一方、同期アーキテクチャを利用することにより、ダイオードは、同期整流器として機能する統合された低抵抗のローサイドMOSFETに置き換えられます。ダイオードでの高電圧降下とMOSFETトランジスタのRDS（ON）での小さな降下をトレードオフします。同期整流は、一般的なソリューションで使用される非同期コンバータよりも大幅に高い効率を提供します。同期整流のおかげで、デバイスは90％をはるかに超えるピーク効率を達成します（図3）。

図3。 MAX20037 / MAX20038の効率

ケーブル補償

このデバイスファミリには、USB負荷電流検出アンプと構成可能なフィードバック調整回路が含まれており、キャプティブケーブルの電圧降下に対して自動USB電圧補償を提供するように設計されています。ケーブルの補償と診断は、I ² を介して簡単に実装できます。 Cバス。 I ² の代わりに、外部プログラミング抵抗が使用されます。 Cバス。

低ノイズ

ICは、強制PWMモード（FPWM）で一定の周波数で動作します。オプションのスペクトラム拡散周波数変調は、変調周波数によるEMI放射エミッションを最小限に抑えるように設計されています。図3では、無線周波数干渉を低減するために、デバイス周波数がAM帯域より上の2.2MHzに設定されています。

負荷コンプライアンス

ICは、USB準拠と非準拠の両方の負荷と互換性があります。準拠したUSBデバイスは、30mAを超えてシンクすることはできません。また、最初にポートに接続したときに10μFを超える静電容量を示してはなりません。次に、デバイスはD + / D-接続および列挙プロセスを開始します。 「接続」プロセスの完了後、デバイスは電流を引き出すことができ（USB2.0の場合は100mA、USB3.0の場合は150mA）、10μFを超える静電容量を示してはなりません。

ESD保護

これらのデバイスは、低電圧、高帯域幅のデータスイッチ（MAX20037）と高電圧、高ESDデータスイッチ（MAX20038）を備えています。 MAX20037は、最大6Vのデータスイッチ保護と、外部ESDアレイによる高ESD保護を提供します。 MAX20038は、最大18Vのデータスイッチ保護と、内部ESD保護回路による高ESD保護を提供します。

結論

現代の車のインテリアには、ポータブル電子機器を充電するための複数のUSBポートがあり、充電器/アダプターのスペースと発熱の問題を引き起こしています。これらのポートを無線ヘッドユニットのUSBホストに接続するケーブルは、オーム電圧降下とEMI放射の問題を引き起こします。この記事では、既存のソリューションの欠点について説明し、高電流機能と最小限のスペース占有、ノイズ、および発熱で多数のポートをサポートする、高度に統合された自動車用降圧コンバータを紹介しました。 I ² を介してケーブルのオーム損失を簡単に補正します。 Cバスまたは外部プログラミング抵抗を介して。

詳細

MAX20037 / MAX20038USB保護/ホスト充電アダプターエミュレーションを備えた自動車用大電流降圧コンバーター

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