Perangkat bertenaga USB dengan beberapa Capacitor Decoupling

Saya memiliki perangkat bertenaga USB dengan banyak IC. Dari apa yang saya baca itu praktik standar untuk menggunakan kombinasi berbagai kapasitor untuk decoupling masing-masing IC individu, dengan yang terkecil sedekat mungkin dan kapasitor yang lebih besar tidak terlalu jauh.

Namun, saya mengalami dilema:

Menurut sumber ini , kapasitansi decoupling maksimum yang diizinkan untuk perangkat USB adalah 10uF. Dengan beberapa IC semuanya memiliki kombinasi kapasitor decoupling 0,1uF dan 2.2uF / 4.7uF, saya dengan mudah melampaui batas ini karena semuanya paralel.

Satu-satunya solusi yang dapat saya pikirkan adalah untuk mengurangi / menghilangkan kapasitor decoupling yang lebih besar dan / atau mencoba untuk menggabungkan beberapa kapasitor decoupling IC yang lebih besar bersama-sama sambil menjaga kapasitor decoupling yang lebih kecil dekat dengan masing-masing IC.

Dalam pikiran saya tak satu pun dari solusi ini yang tampak ideal. Apa tata letak decoupling yang disarankan untuk beberapa IC pada perangkat bertenaga USB?

Konsumsi daya teoretis dari semua IC yang digunakan masih di bawah batas yang dapat disuplai melalui USB 2.0.

Meskipun tidak persis apa yang Anda cari, saya telah menggunakan IC manajemen daya untuk mencapai ini. Misalnya, TPS2113APW . Saya lebih suka chip khusus ini karena memungkinkan saya untuk membuat perangkat bertenaga ganda yang dapat beroperasi dengan kutil dinding atau mematikan USB, secara otomatis lebih memilih daya dinding jika tersedia.

Jika Anda tidak membutuhkan tenaga ganda, Anda dapat menggunakan sesuatu seperti MIC2545A

Pada akhirnya, kapasitansi apa pun "di belakang" IC manajemen daya (yaitu terhubung ke output IC) tidak "terlihat" oleh USB; bus hanya melihat kapasitansi "di depan" IC (yaitu dihubungkan ke input IC).

Anda masih harus khawatir tentang arus masuk - bagian "ditambah efek kapasitif yang terlihat melalui regulator" dari spesifikasi - tetapi IC tersebut juga memiliki batasan arus variabel. Cari tahu hambatan paralel yang Anda butuhkan untuk memiliki batasan 100 mA dan batasan 500 mA (dan secara opsional batasan n mA jika Anda ingin membatasi daya dinding), dan kemudian gunakan FET untuk memendekkan resistor yang diperlukan untuk mengaktifkan berbagai keterbatasan.

Melalui chip ini, saya telah memasang PCB dengan beberapa ratus uF ke USB, dan DMM yang diatur ke fast current max memverifikasi bahwa lonjakan selama pemasangan tidak melebihi 100 mA.

Perangkat USB tidak dapat menghadirkan lebih dari 10uF kapasitansi saat terhubung. Ini tidak berarti bahwa Anda hanya dapat memiliki 10uF kapasitor, itu berarti bahwa Anda perlu membatasi arus masuk ke yang diperlukan untuk mengisi 10uF pada saat koneksi. Dari spesifikasi USB:

Beban maksimum (CRPB) yang dapat ditempatkan di ujung hilir kabel adalah 10 μF secara paralel dengan 44 Ω. Kapasitansi 10 μF mewakili kapasitor pintas yang terhubung langsung di seluruh jalur VBUS dalam fungsi tersebut ditambah efek kapasitif yang terlihat melalui regulator pada perangkat. Resistansi 44 represents mewakili satu unit beban arus yang ditarik oleh perangkat selama menghubungkan.

Selanjutnya:

Jika kapasitansi bypass lebih banyak diperlukan dalam perangkat, maka perangkat harus memasukkan beberapa bentuk pembatasan arus surge VBUS, sehingga cocok dengan karakteristik beban di atas.

Seperti yang mungkin Anda ketahui, perangkat Anda diizinkan menggambar 1 unit daya, atau 100mA, saat tersambung tanpa negosiasi apa pun.

Jika saya mendesain perangkat USB berdaya tinggi maka saya akan:

A. Hidup dengan persyaratan 10uF, seperti jika saya menggunakan catu daya switching atau jika VDD saya akan menjadi 3.3V

atau

B. Gunakan sirkuit "mulai lunak" seperti resistor 47 ohm secara seri dengan kapasitor curah saya yang besar. Gunakan komparator untuk merasakan tegangan melintasi kapasitor curah. Ketika tegangan berada dalam 100mV dari tegangan bus USB maka nyalakan komparatornya pada P-MOSFET yang lebih pendek dari resistor 47 ohm.

100 nF adalah yang paling penting. Pastikan untuk meletakkannya dan seperti yang Anda katakan sedekat mungkin dengan pin.

2.2 / 4,7 µF untuk ditempatkan secara paralel adalah nilai yang tinggi, dan seharusnya tidak diperlukan dalam catu daya yang dipisahkan dengan benar. Terutama tidak pada setiap IC. Di sini catu daya akan berada agak jauh, dan kemudian kapasitor beberapa μF sangat dianjurkan. Gunakan nilai tertinggi yang Anda masih mampu setelah mengurangkan 100 nFs, dan tempatkan yang dekat dengan IC yang akan menarik arus paling banyak, kecuali itu akan menjadi ujung lain di mana USB memasuki PCB. Maka Anda harus berkompromi: di jalur dari konektor USB, dan tidak terlalu jauh dari konsumen terbesar saat ini.

Aturan "kapasitansi maksimum melintasi pin Vbus" dimaksudkan untuk menjaga agar tegangan Vbus tidak turun cukup rendah untuk mengatur ulang perangkat USB lainnya setiap kali perangkat USB baru dicolokkan.

Saya telah melihat beberapa perangkat USB yang hanya membutuhkan manik ferit untuk menjaga lonjakan arus dalam spesifikasi. Mereka menghubungkan hanya 2 hal ke pin Vbus pada konektor USB: kapasitansi decoupling minimum 1uF VBUS langsung melintasi pin Vbus dan GND pada konektor USB, dan manik ferit yang memasok daya ke seluruh perangkat. Yang memungkinkan mereka untuk menggunakan kapasitansi bersih sedikit lebih dari 10 uF di sisi lain dari manik ferit.

Sebagian besar skema untuk perangkat bertenaga USB yang saya lihat memiliki regulator tegangan yang mengubah antara 4,45 V hingga 5,25 V dari host USB ke 3,3 V yang digunakan oleh semua chip pada perangkat. Menggunakan pengatur tegangan dengan sirkuit "mulai lunak" menjaga arus masuk dalam spesifikasi; yang memungkinkan perancang untuk menempatkan sejumlah kapasitansi pada output regulator - antara 3,3 V dan GND - tanpa masalah di sisi USB.