Administración de energía para un bus/dispositivo USB autoalimentado

Estoy construyendo una placa de desarrollo similar a Arduino, con requisitos de secuenciación de energía similares. Tiene soporte de alimentación de CC y USB, y debería preferir la alimentación de CC. La entrada de CC debe admitir una amplia gama de voltajes de entrada y regular hasta 5v. También necesito una salida regulada de 3.3v independientemente de la fuente de alimentación.

Mi solución actual es bastante torpe. Tengo un regulador reductor para la potencia de entrada, un LDO para 3.3v y un interruptor de alimentación para USB que consta de un opamp configurado como comparador y un MOSFET de canal P, el circuito utilizado en el esquema Arduino Uno para la conmutación de alimentación . También tengo un diodo en la entrada para protección de potencia inversa y un fusible múltiple en la alimentación USB para limitar la corriente.

Todo esto funciona, pero es menos que ideal: ocupa mucho espacio en el tablero, requiere una gran lista de materiales y es moderadamente costoso. Realmente me gustaría una solución de energía más integrada, y parece que esta debería ser una tarea bastante común, pero no puedo encontrar nada que parezca adecuado.

¿Alguien puede recomendar una solución que incorpore al menos algunas de estas funciones en un solo dispositivo?

Editar: Aquí está el esquema para el subsistema de energía actual:

Sistema de energía Loki

Que yo sepa, algo así no existe en un solo IC. Lo más probable es que se quede atascado 1) convirtiendo la energía de la verruga de la pared de CC a 5 V y 2) manejando el apagado entre eso y la alimentación USB que ingresa a su 3) regulador de 3.3 V. Podría manejar todo eso con tres circuitos integrados individuales más algunos discretos de apoyo... pero en realidad no se integrará más.
@TobyLawrence Esperaba que hubiera algo que incorporara la mayor parte de esto, ya que es exactamente la funcionalidad que requieren los concentradores de bus/autoalimentados y otros dispositivos similares. Pero incluso una mejor solución para la conmutación de energía y la limitación de corriente sería buena: esta solución opamp y el polyfuse separado no son ideales.
Hay formas en las que podría incluir gran parte de esta funcionalidad en su placa a través de circuitos integrados, pero en la mayoría de los casos, será más fácil y económico usar componentes básicos. Por ejemplo, podría encontrar fácilmente un controlador ORing con limitación de corriente por entrada, lo cual es genial... pero eso no significa que no deba querer un fusible en la parte frontal de su dispositivo. (No estoy tratando de disuadirlo de querer una solución integrada, solo agrego que a veces lo básico funciona muy bien. :)
Si el PMIC tiene limitación de corriente, ¿por qué querría también un fusible PTC? Y estoy de acuerdo, los circuitos integrados más básicos pueden no ser algo malo, pero un opamp discreto y PFET no son tan baratos ni tan compactos como me gustaría.
Estaría dispuesto a apostar que la mayoría de los fabricantes están haciendo esto de la manera "difícil": diseñando los conmutadores ellos mismos, trabajando en el diseño de la placa varias veces para ajustar las cosas correctamente, etc. Si sigue ese camino, definitivamente podría optimizar los costos. y mantener las cosas relativamente eficientes cuando se trata de espacio en la placa... pero no se va a integrar. Debe elegir lo que más le importa: facilidad de montaje, espacio en la placa, costo, simplicidad de la lista de materiales, etc.
Me parece bien. Sin embargo, estoy seguro de que debe haber una mejor solución para la conmutación de energía y la limitación de corriente como mínimo, ¿no? Y sé que he visto múltiples reguladores PMIC para 5v y 3.3v.
Eche un vistazo a 3V Tips 'n Tricks , pero cómo lo tiene parece una buena solución.
¿El diodo del cuerpo del mosfet de su canal p no siempre conecta VUSB a su riel de 5V? Si ese es el caso, ¿por qué no usar un diodo? No espero que los 0.3V de los que se deshaga su mosfet sean súper críticos para el circuito de 5V.
@AndrewKohlsmith Solo si VUSB es 0.3v más alto que + 5V, lo cual es poco probable. Cuando solo hay VUSB, el FET debería encenderse, eliminando la caída de voltaje casi por completo.
@NickJohnson lo entiendo; lo que digo es que si no hay V+ de la verruga de la pared, VUSB suministrará ~4.5-4.7V (VUSB - caída de diodo del cuerpo). Si hay una verruga en la pared, es probable que desee que alimente el sistema de todos modos ... ¿por qué usar un mosfet? Solo use un diodo.
@AndrewKohlsmith Cuando se apaga el USB, el comparador bajará, bajará la compuerta PFET y la encenderá, eliminando por completo la caída del diodo. Al menos, eso es lo que entiendo.
¿No conduciría el diodo del cuerpo lo suficiente como para encender la lógica del comparador y luego habilitarlo para impulsar el FET para que a su vez pase el VUSB según lo previsto?
@NickJohnson Entiendo cómo funciona el circuito. Me pregunto por qué es necesario en absoluto. Si tiene energía de verruga de pared, ¿por qué sacar de USB? Y si está dibujando desde USB, ¿es realmente una caída de diodo normal algo de lo que debe preocuparse para la mayoría de la lógica de 5V?
@AndrewKohlsmith No extraigo de USB cuando la verruga de la pared está enchufada; ese es el objetivo del circuito. Pero a veces no tengo el poder de la verruga de la pared.
@NickJohnson Creo que te estás perdiendo el punto. Tome VUSB, páselo a través de un diodo a su riel interno de 5V. Nunca extraerá de VUSB con una verruga de pared en esa configuración, y no necesita un circuito de conmutación complicado. Tendrá ~ 4.5-4.7 V en su riel de 5 V cuando extraiga de VUSB, pero eso casi nunca es un problema.

Respuestas (3)

Será difícil comprimir toda esta funcionalidad en un paquete más pequeño. Repasemos lo que estás tratando de lograr:

Regule hacia abajo desde la potencia de la verruga de la pared (probablemente 9V-12V) a 5V limpio y regulado

Esto es fácil y se puede lograr de un millón de maneras diferentes. El consumo de corriente y el voltaje de entrada es lo que realmente influye en su elección aquí. Puede obtener fácilmente un regulador lineal de paquete pequeño, pero si el voltaje de entrada es demasiado alto, comienza a necesitar paquetes cada vez más grandes para manejar el calor, y puede llegar a D2PAK y seguir emitiendo demasiado calor. Los reguladores lineales que manejan voltajes de entrada altos suelen ser malos para cualquier corriente de salida moderada.

En este caso, debe pasar a un conmutador para evitar estos problemas de calor. En cuanto al paquete/simplicidad más pequeño, he usado el TPS84250 de TI en un diseño. Aproximadamente 14 mm x 14 mm de espacio en la placa y entrada de 7 V-50 V con 2 A de corriente de salida y voltaje de salida ajustable. Son muy caros en comparación con los componentes sin procesar (controlador de conmutación, inductor, diodo, etc.) a $10 - $13 por pieza en pequeñas cantidades, pero aquí estamos hablando de simplicidad, ¿verdad?

Hay diseños de conmutadores similares en el centro de diseño de TI Webench (corriente de salida/tamaño de la placa) que se pueden construir a un precio mucho más económico, pero luego usa más componentes y dedica más tiempo al diseño. Va a ser una compensación.

Seleccione entre 5 V regulados y USB VCC para la entrada a nuestro regulador de 3,3 V

También hay algunas buenas maneras de hacer esto... principalmente usando discretos (diodos) o MOSFET. Incluso hay algunos circuitos integrados de controlador de potencia con los MOSFET incorporados. No se puede superar eso para integrado/pequeño. Nuevamente, una de mis partes favoritas es el LTC4415 de Linear Technology. Este IC OR dos fuentes de alimentación para usted con sus MOSFET integrados, y prioriza una de las entradas automáticamente para usted. También le permite establecer límites de corriente de salida independientes para cada salida para que pueda configurar la entrada USB para que coincida con su límite de 500 mA y el límite de corriente de la verruga de la pared para que coincida con el límite de corriente de salida de su conmutador, etc. El consumo de espacio de la placa aquí es bastante pequeño.

Una vez más, un poco caro... estos chicos malos cuestan como $ 3 - $ 5 en pequeñas cantidades, pero hacen que el requisito de fuente de energía priorizada sea bastante sencillo.

Regule hacia abajo de 5V a 3.3V

Esta porción es bastante obvia. Encuentre el tamaño de paquete más pequeño con suficiente corriente de salida. Optimizar en precios, etc. Listo.

Otras Consideraciones

Sé que mencionó querer eliminar componentes, pero no olvide que aún desea protección a nivel de sistema contra fallas de componentes... es decir, un fusible frente al conmutador en caso de que el conmutador se estropee de alguna manera y se produzca un cortocircuito. Lo mismo ocurre con la alimentación USB. Su dispositivo debería estar haciendo todo lo posible para funcionar bien con todos los sistemas y señales con los que se integra.

¡Gracias! Actualmente estoy usando un registro de conmutación discreto basado en el LMR12010, pero tengo la tentación de cambiar a una solución integrada. El TPS84320 de TI cuesta alrededor de $4,50 en cantidades pequeñas, que no es mucho más que mi solución actual. El LTC4415 parece ideal, pero $3-$5 parece absurdamente caro para un interruptor de encendido.
Bueno, en su mayoría estás pagando por el hecho de que es lineal :) Sin embargo, Linear es muy, muy bueno en circuitos integrados de potencia. Tienen gran documentación y apoyo. Puede obtener fácilmente muestras y comprar directamente de ellos. Además, a partir de la búsqueda que he realizado... la función de prioridad real suele estar compuesta como "alimentarme con energía de cualquier voltaje de suministro que sea más alto", mientras que en este caso, el LTC4415 prioriza la entrada en sí... que en el caso de voltajes de entrada idénticos, es esencial para saber qué tan "integrado" está.
Entonces, ¿alguna sugerencia que mejore la solución dual-opamp-and-PFET de Arduino sin tener que gastar todo el dinero en una de esas piezas caras? Además, he visto circuitos integrados que integran reguladores de conmutación y LDO. ¿Es probable que sean prácticos aquí?
No quiero descarrilar esto como una pregunta de compras, pero ¿cuál es su presupuesto? El presupuesto dictará si termina o no usando partes discretas (comparadores, FET externos, etc.) o una solución integrada.
Bueno, "lo más bajo posible", aunque me doy cuenta de que no es un presupuesto. Probablemente alrededor de $ 5 @ 100 para todo el subsistema de energía.
Quiero decir, creo que a esos precios, será difícil cambiar a cualquier tipo de solución integrada. Los conmutadores de CC/CC integrados consumen mucho de eso, los circuitos integrados de administración de energía consumirán una gran parte de eso, etc.
Principalmente debido al espacio de la placa y al número de piezas.
¿Cuál es su limitación de espacio en el tablero? Una vez más, debe ser específico sobre lo que quiere... porque está pidiendo varias cosas y no puede tenerlas todas, así que si alguien le va a dar una respuesta completa, necesita los detalles.
Me parece bien. El tablero es de 80 mm x 49 mm; tal vez una quinta parte de eso como máximo esté disponible para el subsistema de energía.
Creo que es hora de que publique un enlace a una imagen de su esquema actual para todo el subsistema junto con el diseño de la placa y, potencialmente, los tamaños de los paquetes. Tengo una idea potencial para manejar la transferencia de verrugas de pared USB/DC, pero primero quiero ver cómo se ve su esquema/tablero.
He actualizado la pregunta original con el esquema actual.
¿Qué te parece la idea de poner una resistencia en serie con la entrada de un regulador lineal? Si, por ejemplo, un regulador tiene una especificación de caída de 0,5 voltios, y la entrada será de 9-12 V, y uno quiere suministrar 150 mA, una resistencia de 22 ohmios y 1/2 W caería 3,3 V a 150 mA, desplazando medio vatio lejos del regulador. El regulador aún tendría que manejar un poco más de medio vatio, pero eso probablemente sea más fácil que manejar un poco más de un vatio.
@supercat Quiero decir, claro... podría distribuir la disipación de energía donde quisiera... pero hacer funcionar ambos componentes calientes todo el tiempo parece una mala idea para lo que es, presumiblemente, una placa que pretende vender a la gente.
@supercat No estoy seguro de qué parte del problema se supone que debe resolver. La disipación de energía no es un gran problema en este diseño.

No puedo encontrar una respuesta sólida sobre cuál es la salida de corriente máxima en una placa arduino (uno), algunos dicen 500ma 5v en usb (obviamente) y 650ma en el conector de CC.

Si ese es el caso, siempre puede optar por un regulador de doble canal. Reduce el espacio necesario en la base y a bordo.

TI tiene el tps70102, que le brinda dos salidas ajustables, 500ma en el canal 1, 250ma en el canal dos. Pero su vin es 6v max (aunque genial con cargadores usb-ish)

También tienen el tps54283 (o en realidad, la mayoría en la familia tps54xxx). Alto rango de vin 4.5-28v, salidas duales ajustables con componentes externos mínimos, proporcionando hasta 2 amperios. No hay necesidad de ldo separados.

El principal problema es que ese convertidor dual ya es bastante caro y no necesariamente resuelve el problema principal de cambiar entre los 5V regulados desde la corriente continua de la pared y los 5V USB. Seleccionar y optimizar el conmutador de 5 V y el LDO de 3,3 V es fácil... pero la sección de administración de energía es lo que no le gustó / hace que esto sea más difícil de hacer cuando se es consciente de los costos y se desea una solución integrada.

Echa un vistazo al MAX8934 . Me doy cuenta de que es un chip de carga LION, pero Maxim puede tener otros chips que hacen exactamente lo que quieres. Proporciona selección de entrada dual, límites de corriente para USB y línea, salida de sistema de 5,3 V (prerregulada) y LDO de 3,3 V (30 mA)

Administración de energía para un bus/dispositivo USB autoalimentado
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