Comportamiento adecuado para USB y +5V

cómo espera el USB que se comporte el +5V

Según las especificaciones de usb.org , puede haber una corriente de 0mA a 500mA en VBUS (+5V). No se permiten corrientes inversas .

Muchas de las unidades de energía de mi PC más antiguas entregaban solo 4,9 voltios o incluso menos en las líneas de 5 voltios. En ese caso, el voltaje de salida del LM7805 será mayor y fluirá una corriente inversa hacia la PC. Pero esto depende de la unidad de potencia ATX y de factores como la temperatura y la carga de la CPU (corriente).

¿La mayoría de los dispositivos USB se alimentan exclusivamente con la alimentación de +5 V del USB, o simplemente hacen referencia a tierra y dejan que floten los 5 V?

Lea la especificación: Básicamente, estas son las dos opciones que tiene.

No entiendo para qué usarías los 5 V del USB. Tienes un 7805 para obtener 5 V de tus 12 V, que necesitarás de todos modos, por lo que los 5 V siempre estarán disponibles y con suficiente corriente sin necesitar esos 100 mA del puerto USB. Entonces desconectaría este último cortando el rastro en el conector, entonces está seguro de que no puede causar ningún conflicto.

La razón por la que nunca debe conectar directamente las salidas de los reguladores de voltaje es que el mundo no es perfecto. Si 5 V fueran 5.000000 V, no tendrías ningún problema. Pero los reguladores tienen una tolerancia en su voltaje de salida, a menudo del 5 %, por lo que 5 V también pueden ser 5,25 V. Por lo tanto, lo más probable es que los dos voltajes no sean iguales.

La segunda parte del problema es que los reguladores de voltaje tienen una impedancia de salida muy baja, como unas decenas de mΩ, para un regulador ideal sería cero. Entonces, una diferencia de voltaje combinada con una resistencia muy baja le da una corriente alta.

Si desea combinar salidas de 2 reguladores, use diodos Schottky. Te darán una caída de tensión de un par de 100 mV, que puede ser aceptable. Si lo desea, puede agregar el mismo diodo en serie con el pin de tierra del 7805. Luego, primero eleva la salida a 5,3 V y 0,3 V del diodo en serie le dará 5 V de salida. Con un diodo en serie, la salida USB será más baja, entonces el voltaje más alto tiene prioridad.

Además de no permitir la corriente inversa en la línea de 5V (así que no la conduzca), el USB no permite conducir corrientes por las líneas de datos D+/D- a menos que la línea de 5V esté alimentada. Esto significa que incluso en dispositivos autoalimentados, que no obtienen su energía del USB, el USB 5V se conecta a un pin de detección VBUS (a menudo dedicado en chips con capacidad USB, a veces simplemente conectado para reiniciar). Además, la tolerancia en la alimentación USB es del 10 %; Se permite cualquier valor entre 4,5 V y 5,5 V. Esto puede explicar el comportamiento intermitente.

Esta pregunta puede ser antigua, pero creo que es muy, muy importante agregar algo a esto.

¡La especificación USB no solo prohíbe la conducción inversa de Vbus, sino que destruirá su computadora si intenta esto! Esto no es meramente teórico: alguien destruyó su Macbook Pro al retroalimentar 5V en Vbus. Apple lo consideró irreparable y requirió una nueva placa lógica. Me imagino que muchas otras PC pueden destruirse de esta manera. El daño no se limitó al puerto USB: se arruinó toda la computadora.

La cantidad de errores que veo en los proyectos de "aficionados/creadores" a veces me deja boquiabierto. Estas personas no deberían diseñar cosas para conectarse a equipos costosos como una computadora. Parece que mucha gente simplemente pega circuitos en la comunidad sin siquiera tomarse el tiempo de leer los documentos de especificaciones al diseñar algo. Los fabricantes chinos sin nombre también son culpables de esto. No puedo enfatizar la importancia de cumplir con todas las especificaciones necesarias cuando implementas una interfaz. Incluso es posible que sea legalmente responsable si publica un diseño que alguien construye y causa daños.

Por lo tanto, es absolutamente esencial que tenga un diodo Schottky en serie con Vbus, si no un diseño completamente diferente. Dependiendo del regulador utilizado, no siempre es necesario protegerlo contra el retroceso, pero siempre verifique la hoja de datos cuidadosamente.

El retroceso puede ocurrir de otra manera, simplemente poniendo demasiada capacitancia en Vbus. La especificación USB no requiere más de (IIRC) 10uF. Más que eso, devolverá demasiada energía a Vbus cuando la computadora esté apagada (sin mencionar que la energía de entrada es demasiado grande cuando se enciende).

La forma más habitual de manejar la alimentación USB es usar un LDO para reducirlo a 3,3 V y ejecutar su circuito desde allí. Eso también elimina el problema de la tolerancia potencialmente grande de Vbus.

Mi sensación personal es que si un error tan grave está presente en el diseño, probablemente también haya otros errores muy graves. Si es posible, me inclinaría por la fuente de otro fabricante/diseñador. Puede parecer un gasto innecesario si ya compró la placa, pero ¿cuánto vale el equipo al que se conectará la placa? ¿Cuáles son las implicaciones financieras si esos dispositivos sufren daños como resultado de un diseño inadecuado? Es posible que pueda salvar la placa haciéndole algunas modificaciones, pero primero deberá invertir algo de tiempo en la lectura de especificaciones/hojas de datos.

Si el diseño utiliza un chip de conversión de USB a serie, existen algunos peligros. Idealmente, todo el dispositivo debe recibir alimentación de Vbus para eliminar problemas, pero asegúrese de que no haya posibilidad de retroceso por parte de otro dispositivo conectado a su placa, como un motor que podría generar EMF inverso o una línea de datos en serie que se extrae. hasta un suministro externo. Si está alimentando desde un suministro local, deberá asegurarse de que el chip de USB a serie pueda leer Vbus para determinar si debe controlar D+/D-. Una forma de hacer esto es alimentar el chip USB a serie desde Vbus y el resto de su circuito desde un suministro separado. Pero ahora tienes un nuevo problema: latchup. Existe la posibilidad de que esté conduciendo señales lógicas al resto de su circuito que está apagado, o el resto de su circuito envía señales lógicas al chip de USB a serie cuando está apagado. Ambos pueden ser catastróficos si excede la corriente de sujeción máxima (que puede aparecer en las hojas de datos de los chips relevantes, o puede que no). A veces se puede usar una resistencia en serie para limitar la corriente, pero nunca asuma nada sobre la clasificación de corriente de sujeción. Algunos dispositivos pueden tolerar 10s de mA, otros solo pueden tolerar unos pocos 100s de uA. Esta es solo una de las razones por las que los diseños de suministro múltiple pueden ser un gran dolor de cabeza y una verdadera trampa para quienes desconocen estos problemas. La vida es mucho más fácil si puede estar seguro de que solo hay una fuente de alimentación involucrada, y en el caso de un dispositivo USB, esa sería la fuente de alimentación de la computadora. En estos días, con MCU y FPGA de bajo consumo, probablemente sea más sencillo alimentar todo 3. 3/5V de Vbus y solo use un suministro externo para cosas como motores. Los transistores que accionan los motores proporcionarán el aislamiento necesario entre los dos dominios de suministro. Si usa circuitos integrados de controlador de motor, debe verificar cuidadosamente para asegurarse de que la lógica y las partes de alto voltaje puedan alimentarse de forma independiente sin requisitos de secuencia.