USB-Gerät mit mehreren Entkopplungskondensatoren

Ich habe ein USB-Gerät mit mehreren ICs. Nach dem, was ich gelesen habe, ist es üblich, eine Kombination von Kondensatoren mit mehreren Bereichen zum Entkoppeln jedes einzelnen ICs zu verwenden, wobei der kleinste so nah wie möglich und die größeren Kondensatoren nicht zu weit entfernt sind.

Ich gerate jedoch in ein Dilemma:

Laut dieser Quelle beträgt die maximal zulässige Entkopplungskapazität für ein USB-Gerät 10 uF. Mit mehreren ICs, die alle eine Kombination aus 0,1 uF- und 2,2 uF / 4,7 uF-Entkopplungskondensatoren haben, überschreite ich diese Grenze leicht, da sie alle parallel sind.

Die einzige Lösung, die ich mir vorstellen kann, besteht darin, den größeren Entkopplungskondensator zu reduzieren / zu eliminieren und / oder zu versuchen, die größeren Entkopplungskondensatoren einiger ICs zusammenzufassen, während die kleineren Entkopplungskondensatoren nahe an jedem IC bleiben.

In meinen Augen scheint keine dieser Lösungen ideal zu sein. Was ist das empfohlene Entkopplungslayout für mehrere ICs auf einem USB-Gerät?

Der theoretische Stromverbrauch aller verwendeten ICs liegt immer noch unter dem Grenzwert, der über USB 2.0 bereitgestellt werden kann.

Obwohl dies nicht genau das ist, wonach Sie suchen, habe ich Power-Management-ICs verwendet, um dies zu erreichen. Zum Beispiel der TPS2113APW . Ich bevorzuge diesen speziellen Chip, weil ich damit Geräte mit doppelter Stromversorgung herstellen kann, die entweder mit einer Wandwarze oder über USB betrieben werden können, und automatisch die Wandstromversorgung bevorzuge, wenn diese verfügbar ist.

Wenn Sie keine doppelte Stromversorgung benötigen, können Sie beispielsweise den MIC2545A verwenden

Letztendlich wird eine Kapazität "hinter" dem Power-Management-IC (dh an die IC-Ausgänge angeschlossen) vom USB nicht "gesehen". Der Bus sieht nur die Kapazität "vor" dem IC (dh an IC-Eingänge angeschlossen).

Sie müssen sich immer noch um den Einschaltstrom kümmern - den Teil "plus alle durch den Regler sichtbaren kapazitiven Effekte" der Spezifikation -, aber diese ICs haben auch eine variable Strombegrenzung. Ermitteln Sie die parallelen Widerstände, für die eine Begrenzung von 100 mA und eine Begrenzung von 500 mA erforderlich ist (und optional eine Begrenzung von n mA, wenn Sie die Wandleistung begrenzen möchten), und verwenden Sie dann FETs, um die Widerstände nach Bedarf kurzzuschließen, um verschiedene Einschränkungen zu aktivieren.

Über diese Chips habe ich Leiterplatten mit mehreren hundert uF an den USB angeschlossen, und ein DMM, das auf Maximalstrom eingestellt ist, hat bestätigt, dass der Einschaltstrom während des Anschlusses 100 mA nicht überschreitet.

Ein USB-Gerät kann beim Anschließen nicht mehr als 10 uF Kapazität aufweisen. Dies bedeutet nicht unbedingt, dass Sie nur 10 uF Kondensatoren haben können, sondern dass Sie den Einschaltstrom auf den Strom begrenzen müssen, der zum Laden von 10 uF beim Anschluss erforderlich ist. Aus der USB-Spezifikation:

Die maximale Last (CRPB), die am stromabwärtigen Ende eines Kabels platziert werden kann, beträgt 10 μF parallel zu 44 Ω. Die Kapazität von 10 μF repräsentiert jeden Bypass-Kondensator, der in der Funktion direkt über die VBUS-Leitungen angeschlossen ist, sowie alle kapazitiven Effekte, die durch den Regler im Gerät sichtbar sind. Der Widerstand von 44 Ω repräsentiert eine Einheitslast des vom Gerät während des Anschlusses aufgenommenen Stroms.

Außerdem:

Wenn im Gerät mehr Bypass-Kapazität erforderlich ist, muss das Gerät eine Form der VBUS-Stoßstrombegrenzung enthalten, sodass sie den Eigenschaften der obigen Last entspricht.

Wie Sie wahrscheinlich wissen, darf Ihr Gerät bei Anschluss ohne Verhandlung 1 Netzteil oder 100 mA ziehen.

Wenn ich ein Hochleistungs-USB-Gerät entwerfen würde, würde ich:

A. Leben Sie mit der 10uF-Anforderung, z. B. wenn ich ein Schaltnetzteil verwende oder wenn mein VDD 3,3 V beträgt

oder

B. Verwenden Sie eine "Softstart" -Schaltung wie einen 47-Ohm-Widerstand in Reihe mit meinem riesigen Volumenkondensator. Verwenden Sie einen Komparator, um die Spannung am Volumenkondensator zu erfassen. Wenn die Spannung innerhalb von 100 mV der USB-Busspannung liegt, muss der Komparator einen P-MOSFET einschalten, der den 47-Ohm-Widerstand kurzschließt.

Die 100 nF sind die wichtigsten. Stellen Sie sicher, dass Sie diese und wie Sie sagen, so nah wie möglich an den Stiften platzieren.

2,2 / 4,7 µF parallel zu platzieren ist ein hoher Wert und sollte bei einer ordnungsgemäß entkoppelten Stromversorgung nicht erforderlich sein. Vor allem nicht auf jedem IC. Hier ist die Stromversorgung in einiger Entfernung, und dann wird dringend ein Kondensator von einigen µF empfohlen. Verwenden Sie den höchsten Wert, den Sie sich noch leisten können, nachdem Sie die 100 nFs abgezogen haben, und platzieren Sie diesen nahe am IC, der den meisten Strom zieht, es sei denn, dies ist das andere Ende der Stelle, an der der USB in die Leiterplatte eintritt. Dann müssen Sie Kompromisse eingehen: auf dem Weg vom USB-Anschluss und nicht zu weit von den größten Stromverbrauchern entfernt.

Die Regel "Maximale Kapazität über den Vbus-Pin" soll verhindern, dass die Vbus-Spannung niedrig genug abfällt, um die anderen USB-Geräte zurückzusetzen, wenn ein neues USB-Gerät angeschlossen wird.

Ich habe einige USB-Geräte gesehen, die nur eine Ferritperle benötigen, um den Einschaltstrom innerhalb der Spezifikationen zu halten. Sie verbinden nur zwei Dinge mit dem Vbus-Pin des USB-Anschlusses: die minimale VBUS-Entkopplungskapazität von 1 uF direkt über den Vbus- und GND-Pins des USB-Anschlusses und eine Ferritperle, die den Rest des Geräts mit Strom versorgt. Dies ermöglicht es ihnen, eine Nettokapazität von etwas mehr als 10 uF auf der anderen Seite dieser Ferritperle zu verwenden.

Die meisten Schaltpläne für USB-Geräte, die ich mir angesehen habe, haben einen Spannungsregler, der zwischen 4,45 V und 5,25 V vom USB-Host in 3,3 V umwandelt, die von allen Chips auf dem Gerät verwendet werden. Die Verwendung eines Spannungsreglers mit einer "Sanftanlauf" -Schaltung hält den Einschaltstrom innerhalb der Spezifikationen; Auf diese Weise kann der Entwickler problemlos eine beliebige Kapazität an den Ausgang des Reglers anschließen - zwischen 3,3 V und GND - auf der USB-Seite.