Управление питанием для шины/USB-устройства с автономным питанием

Я создаю плату для разработки, похожую на Arduino, с аналогичными требованиями к последовательности питания. Он поддерживает питание как от постоянного тока, так и от USB, и ему следует предпочесть питание от постоянного тока. Вход постоянного тока должен поддерживать широкий диапазон входных напряжений и регулироваться до 5 В. Мне также нужен регулируемый выход 3,3 В независимо от источника питания.

Мое текущее решение довольно неуклюже. У меня есть понижающий регулятор для входной мощности, LDO для 3,3 В и переключатель питания для USB, состоящий из операционного усилителя, настроенного в качестве компаратора, и P-канального MOSFET — схема, используемая в схеме Arduino Uno для переключения питания . У меня также есть диод на входе для защиты от обратного питания и поплавок на питании USB для ограничения тока.

Все это работает, но далеко не идеально — занимает много места на плате, требует большой спецификации и стоит умеренно дорого. Мне бы очень хотелось более интегрированное решение для питания, и кажется, что это должно быть довольно распространенной задачей, но я не могу найти ничего подходящего.

Может ли кто-нибудь порекомендовать решение, объединяющее хотя бы некоторые из этих функций в одном устройстве?

Редактировать: Вот схема текущей подсистемы питания:

Система питания Локи

Насколько я знаю, ничего подобного нет ни в одной ИС. Вы, скорее всего, застрянете: 1) преобразовать питание постоянного тока от настенной бородавки в 5 В и 2) справиться с отключением между этим и питанием USB, поступающим в ваш 3) регулятор 3,3 В. Вы могли бы справиться со всем этим с тремя отдельными микросхемами плюс несколькими поддерживающими дискретными... но на самом деле это не будет более интегрировано.
@TobyLawrence Я надеялся, что будет что-то, что будет включать в себя большую часть этого, поскольку это в значительной степени именно те функции, которые требуются концентраторам с питанием от шины / автономным питанием и другим подобным устройствам. Но было бы неплохо даже лучшее решение для переключения питания и ограничения тока - это решение с операционным усилителем и отдельным поплавком не идеально.
Есть способы, которыми вы можете реализовать многие из этих функций на своей плате с помощью микросхем, но в большинстве случаев будет проще и дешевле использовать базовые компоненты. Например, вы можете легко найти контроллер ORing с ограничением тока для каждого входа, и это здорово... но это не значит, что вам также не нужен предохранитель на передней панели вашего устройства. (Я не пытаюсь отговорить вас от стремления к интегрированному решению, просто добавляю, что иногда основы работают очень хорошо. :)
Если PMIC имеет ограничение тока, зачем мне еще и предохранитель PTC? И я согласен, более простые ИС могут быть не так уж плохи, но дискретный операционный усилитель и полевой транзистор не такие дешевые и компактные, как мне бы хотелось.
Я готов поспорить, что большинство производителей идут по этому «сложному» пути: проектируют сами переключатели, несколько раз переделывают макет платы, чтобы все было правильно, и т. д. Если вы пойдете по этому пути, вы определенно сможете оптимизировать затраты. и сохраняйте относительную эффективность, когда дело доходит до места на плате... но это не будет интегрировано. Вы должны выбрать то, что вас больше всего волнует: простота сборки, место на плате, стоимость, простота спецификации и т. д.
Справедливо. Я уверен, что должно быть лучшее решение для переключения питания и ограничения тока на минимальном уровне, не так ли? И я знаю, что видел несколько PMIC регуляторов как для 5 В, так и для 3,3 В.
Взгляните на 3V Tips 'n Tricks , но то, что у вас есть, кажется хорошим решением.
Разве диод MOSFET вашего p-канала не всегда подключает VUSB к вашей 5-вольтовой шине? Если это так, почему бы просто не использовать диод? Я не ожидаю, что 0,3 В, от которых избавится ваш мосфет, будет очень критично для схемы 5 В.
@AndrewKohlsmith Только если VUSB на 0,3 В выше +5 В, что маловероятно. Когда есть только VUSB, полевой транзистор должен включаться, почти полностью устраняя падение напряжения.
@NickJohnson Я понимаю это; я говорю, что если нет V + от настенной бородавки, VUSB будет подавать ~ 4,5-4,7 В (VUSB - падение диода на корпусе). Если есть настенная бородавка, вы, вероятно, все равно хотите, чтобы она питала систему ... зачем вообще использовать MOSFET, просто используйте диод.
@AndrewKohlsmith При отключении питания от USB компаратор перейдет в низкий уровень, потянув затвор PFET на низкий уровень и включив его, полностью устранив падение диода. По крайней мере, это мое понимание.
Разве диод в корпусе не проводит достаточно, чтобы включить логику компаратора, а затем позволить ему управлять полевым транзистором, который, в свою очередь, пропускает VUSB, как предполагалось?
@NickJohnson Я понимаю, как работает схема. Мне интересно, зачем это вообще нужно. Если у вас есть настенная розетка, зачем рисовать через USB? И если вы рисуете с USB, действительно ли вам нужно беспокоиться о нормальном падении диода для большинства логик 5V?
@AndrewKohlsmith Я не рисую с USB, когда подключена настенная бородавка - в этом весь смысл схемы. Но иногда у меня нет силы бородавок.
@NickJohnson Я думаю, ты упускаешь мою мысль. Возьми VUSB, пропусти его через диод на внутреннюю шину 5В. От ВУСБ с настенной бородавкой в ​​такой конфигурации никогда не потянешь, да и сложная схема включения не нужна. У вас будет ~ 4,5-4,7 В на вашей шине 5 В при рисовании с VUSB, но это почти никогда не проблема.

Ответы (3)

Вам будет сложно сжать всю эту функциональность в пакет меньшего размера. Давайте рассмотрим, чего вы пытаетесь достичь:

Отрегулируйте питание от настенной бородавки (скорее всего, 9–12 В) до чистого, регулируемого 5 В.

Это легко и может быть выполнено миллионом разных способов. Потребляемый ток и входное напряжение — вот что действительно влияет на ваш выбор. Вы можете легко получить линейный стабилизатор в небольшом корпусе, но если входное напряжение слишком высокое, вам понадобятся все большие и большие корпуса для обработки тепла, и вы можете подняться до D2PAK и все еще выделять слишком много тепла. Линейные стабилизаторы, работающие с высокими входными напряжениями, обычно плохо работают при любом умеренном выходном токе.

В этом случае вам нужно перейти на коммутатор, чтобы избежать этих проблем с нагревом. Что касается наименьшего корпуса/простоты, я использовал в конструкции TPS84250 от TI. Около 14 мм x 14 мм пространства на плате и вход 7–50 В с выходным током 2 А и регулируемым выходным напряжением. Они очень дороги по сравнению с необработанными компонентами (переключающий контроллер, индуктор, диод и т. д.) по 10-13 долларов за штуку в небольших количествах, но мы говорим здесь о простоте, верно?

В центре дизайна TI Webench есть аналогичные конструкции коммутаторов (в зависимости от выходного тока/размера платы), которые можно построить намного дешевле, но тогда вы используете больше компонентов и тратите больше времени на компоновку. Это будет компромисс.

Выберите между регулируемым 5 В и USB VCC для входа в наш регулятор 3,3 В.

Есть также несколько хороших способов сделать это... в основном либо с использованием дискретных элементов (диодов), либо полевых МОП-транзисторов. Есть даже некоторые микросхемы контроллера мощности со встроенными полевыми МОП-транзисторами. Не может быть лучше для встроенных / маленьких. Опять же, моя любимая часть — это LTC4415 от Linear Technology. Эта микросхема будет использовать два источника питания со встроенными полевыми МОП-транзисторами и автоматически отдаст приоритет одному из входов. Он также позволяет вам устанавливать независимые ограничения выходного тока для каждого выхода, поэтому вы можете настроить вход USB в соответствии с вашим пределом 500 мА, а ограничение тока настенной бородавки — в соответствии с ограничением выходного тока вашего коммутатора и т. д. и т. д. Потребление места на плате здесь довольно мало.

Опять же, немного дороговато ... эти плохие парни стоят около 3-5 долларов в небольших количествах, но они делают требования к приоритетному источнику питания довольно простыми.

Регулировать вниз с 5В до 3,3В

Эта часть довольно очевидна. Найдите наименьший размер корпуса с достаточным выходным током. Оптимизировать в ценообразовании и т.д. Сделано.

Другие соображения

Я знаю, что вы упомянули о желании исключить компоненты, но не забывайте, что вам по-прежнему нужна защита на уровне системы от сбоев компонентов... т. е. предохранитель перед коммутатором на случай, если коммутатор каким-то образом выйдет из строя и произойдет короткое замыкание. То же самое касается питания от USB. Ваше устройство должно делать все возможное, чтобы хорошо работать со всеми системами и сигналами, с которыми оно интегрируется.

Спасибо! В настоящее время я использую дискретный коммутатор на основе LMR12010, но у меня есть соблазн перейти на интегрированное решение. TPS84320 от TI стоит около 4,50 долларов в небольших количествах, что ненамного больше, чем мое текущее решение. LTC4415 выглядит идеально, но 3-5 долларов кажутся абсурдно дорогими для переключателя питания!
Ну, вы в основном платите за то, что это Linear :) Однако Linear действительно хорош в силовых ИС. У них отличная документация и поддержка. Вы можете легко получить образцы и купить прямо у них. Кроме того, из поиска, который я сделал ... фактическая функция приоритета обычно состоит из «подать мне питание от любого напряжения питания выше», тогда как в этом случае LTC4415 отдает приоритет самому входу ... что в случае идентичные входные напряжения, имеет важное значение для того, насколько он «интегрирован».
Какие-нибудь предложения, которые улучшат решение Arduino с двумя операционными усилителями и PFET, не прибегая к одной из этих дорогих частей? Кроме того, я видел микросхемы, в которых интегрированы переключающие регуляторы и LDO - могут ли они быть здесь практичными?
Я не хочу превращать это в вопрос о покупках, но каков ваш бюджет? Бюджет будет определять, будете ли вы в конечном итоге использовать дискретные части (компараторы, внешние полевые транзисторы и т. д.) или интегрированное решение.
Ну, "как можно ниже", хотя я понимаю, что это не бюджет. Вероятно, около 5 долларов за 100 долларов за всю подсистему питания.
Я имею в виду, я думаю, что при таких ценах вам будет сложно переключиться на какое-либо интегрированное решение. Встроенные DC/DC-переключатели съедают большую часть этого, ИС управления питанием съедают большую часть этого и т. д. и т. д. Вы думаете, что ваше текущее решение неуклюже только из-за места на плате или из-за отсутствия функциональности?
В основном из-за места на плате и количества деталей.
Каковы ограничения на место на вашей доске? Опять же, вам нужно быть конкретным в том, чего вы хотите... потому что вы просите о нескольких вещах, и вы не можете получить их все, поэтому, если кто-то собирается дать вам полный ответ, ему нужны подробности.
Справедливо. Плата 80мм х 49мм; возможно, пятая часть этого максимума доступна для подсистемы питания.
Я думаю, пришло время опубликовать ссылку на изображение вашей текущей схемы для всей подсистемы вместе с компоновкой платы и, возможно, размерами корпуса. У меня есть потенциальная идея справиться с переносом USB/DC на стену, но я хочу сначала посмотреть, как выглядит ваша схема/плата.
Я обновил исходный вопрос с текущей схемой.
Что вы думаете об идее включения резистора последовательно с входом линейного регулятора? Если, например, регулятор имеет характеристику падения напряжения 0,5 В, а входное напряжение будет 9–12 В, а требуется подавать 150 мА, резистор 22 Ом 1/2 Вт будет падать на 3,3 В при 150 мА, смещаясь на полватта от входного напряжения. регулятор. Регулятору все равно придется выдерживать чуть более половины ватта, но это, вероятно, проще, чем чуть больше ватта.
@supercat Я имею в виду, конечно ... вы могли бы распределить рассеиваемую мощность, где бы вы ни захотели ... но постоянное использование обоих этих компонентов в горячем состоянии кажется плохой идеей для того, что, предположительно, является платой, которую он намеревается использовать. продавать людям.
@supercat Я не уверен, какую часть проблемы это должно решить? Рассеиваемая мощность не является большой проблемой в этой конструкции.

Я не могу найти четкого ответа на вопрос, каков максимальный выходной ток на плате Arduino (uno), некоторые говорят, что 500 мА 5 В на USB (очевидно) и 650 мА на разъеме постоянного тока.

Если это так, вы всегда можете вместо этого использовать двухканальный регулятор. Сокращает необходимое пространство на бомбе и на борту.

У TI есть tps70102, который дает вам два регулируемых выхода: 500 мА на канале 1 и 250 мА на канале два. Но это vin 6v max (отлично подходит для USB-зарядок)

У них также есть tps54283 (вернее, большинство в семействе tps54xxx). Высокий диапазон vin 4,5-28 В, двойные регулируемые выходы с минимальным количеством внешних компонентов, обеспечивающие до 2 ампер. Нет необходимости в отдельных LDO.

Основная проблема заключается в том, что этот двойной понижающий преобразователь уже довольно дорог и не обязательно решает основную проблему переключения между 5 В, регулируемым от сети постоянного тока, и USB 5 В. Выбор и оптимизация 5-вольтового переключателя и 3,3-вольтового LDO выполняется легко... но секция управления питанием - это то, чем он не был доволен / усложняет это, когда он заботится о затратах и ​​хочет интегрированное решение.

Проверьте MAX8934 . Я понимаю, что это чип зарядки LIon, но у Максима могут быть и другие чипы, которые делают именно то, что вы хотите. Он обеспечивает выбор двойного входа, ограничение тока для USB и линии, системный выход 5,3 В (предварительно стабилизированный) и LDO 3,3 В (30 мА).

Управление питанием для шины/USB-устройства с автономным питанием
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v