سنجش جریان در کاربرد های پر مصرف USB Type-C

   معرفی اتصالات USB Type-C ، همچنین به عنوان USB-C مشخص شده است ، قبل از یافتن جهت صحیح برای اتصال یک دستگاه ، ناامیدی در هنگام اتصال کابل های USB را سه و چهار بار از بین می برد. کابل کوچکتر و برگشت پذیر تنها چیزی نیست که با تکامل فناوری USB جدید است. این استاندارد همچنین امکان جایگزینی اتصالات الکتریکی مختلف از جمله USB-B و USB-A ، HDMI ، Display Port و کابل های صوتی 3.5 میلی متر را فراهم می کند. متأسفانه ، USB-C به تنهایی هنوز دارای محدودیت توان15 وات است. با این وجود ، USB USB PD با معرفی سطح ولتاژ قابل تنظیم 5 ولت ، 9 ولت ، 15 ولت یا 20 ، این حد توان را به 100 وات افزایش داد. این محدودیت 100 وات به این معنی است که دستگاههای با قدرت بالاتر مانند لپ تاپ ، تبلت و مانیتور می توانند با استفاده از یک کابل USB PD تنها شارژ و کار کنند. با این حال ، افزایش قدرت دارای ملاحظات طراحی بیشتری نسبت به استانداردهای قبلی است. کابل های USB-C دارای 24 پایه هستند که شامل چهار سیم Vbus و چهار سیم زمین است که بیش از USB 3.0 است. این خطوط Vbus به ولتاژ بیش از حد ، جریان اضافی و جریان معکوس نیاز دارند. در طراحی مدار، باید محافظت هایی انجام شود که پرش های های گذرا ناشی از خطاهای خط Vbus یا خطاهای داخلی دستگاه متصل را تشخیص دهد.

   این تضمین ها باید در دستگاه های منبع و سینک (بار) اضافه شود تا عملکرد ایمن را تضمین کند. برای دستگاه ها، به دلیل کمترین هزینه ساخت آداپتورهای برق و بهینه سازی در هنگام ساخت ، هیچ تضمینی وجود ندارد که مصرف کنندگان از آداپتورهای برق با حفاظت کافی استفاده کنند. گاهی اوقات آداپتورهای برق معیوب ممکن است قبل از مذاکره با USB ، ولتاژ 20 ولت را تأمین کنند که ممکن است دستگاه ها را بیش از تغذیه نماید. برای دستگاههای منبع ، کابلهای ارزان قیمت USB و دستگاههای USB-C PD ممکن است سیم کشی معیوب داشته باشند ، باعث ایجاد اتصال کوتاه در سمت شارژر و در نهایت نیاز به برخی از محافظت ها می شود. هنگام طراحی مدار دستگاه هایی که به عنوان منبع تغذیه مانند ایستگاه های اتصال یا شارژر عمل می کنند ، دستگاه های محافظ در پایین دست مورد نیاز هستند ، به ویژه هنگام کار در نزدیکی حد 100 وات USB PD. سنجش جریان یکپارچه در کنترل کننده های USB PD معمولاً فقط 10 to تا 15 ± دقیق است. این سطح دقت ممکن است برای برخی کافی باشد ، اما یک راه حل دقیق تر برای حفاظت از جریان بیش از حد ، میزان جریانی را که پورت USB می تواند فراهم کند در حالی که زیر سطح قدرت ثابت است ، به حداکثر می رساند. به عنوان مثال ، برای محاسبه تحمل جریان در یک سیستم 20-V/5-A (100-W) ، حداکثر حد مجاز باید 10٪ از 5A در 4.545A (5 A × 1 ÷ 1.1) تنظیم شود. با حداکثر جریان 4.545 آمپر ، حداکثر توان تحویل داده شده به دستگاه بار 90.9 وات است. بعلاوه ، هنگامی که جریان 10٪ کمتر از حداکثر جریان در 4.090 A باشد ، یک سیستم فقط 81.8 وات توان ارائه می دهد. برای تنظیم آستانه جریان بالاتر ، یک تقویت کننده حس جریان مجزا مانند INA199 ، با جبران ولتاژ 150 میکرو ولت و 1٪ خطای افزایش ، می تواند به راحتی 1.5٪ دقت را به وجود آورد در صورتی که جریان بیش از 1 آمپر در یک مصرف 100 وات باشد . این دستگاه اجازه می دهد تا حد فعلی 4.926A (5 A × 1 ÷ 1.015) تنظیم شود ، که به نوبه خود بدان معنی است که پورت USB می تواند 98.52 W را به بار برساند. شکل زیر منحنی خطای root-sum-square (RSS) برای INA199 و INA381 را نشان می دهد.

   برای طراحی مدار الکترونیکی دستگاههایی که از طریق منبع تغذیه USB تغذیه می شوند ، اکیداً پیشنهاد می شود که برای محافظت در برابر خطاهای داخلی ، سنجش جریان را نیز داشته باشید. نمی توان دانست که آیا مصرف کنندگان دستگاه های جانبی را با کنترل کننده های USB USB که دارای حفاظت بیش از حد جریان کافی هستند ، تأمین می کنند. یک راه حل آسان ، طراحی حفاظت از جریان اضافی داخلی در ورودی Vbus دستگاه با سیم کشی یک تقویت کننده گسسته حس جریان ، یک مقایسه کننده و یک ترانزیستور اثر میدان (FET) به عنوان فیوز الکترونیکی است. با یک فیوز الکترونیکی ، تقویت کننده حس جریان تشخیص می دهد که آیا جریان بیش از حد زیاد است و مقایسه کننده باعث فعال شدن FET می شود که FET را خاموش می کند و جریان را قطع می کند. در ساده ترین پیاده سازی ، می توان از خروجی آنالوگ مقایسه کننده برای FET استفاده کرد. یا می توان از منطق دیجیتال با مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) و میکروکنترلر (MCU) برای تصمیم گیری در مورد خاموش کردن FET استفاده کرد. این طرح های حفاظت از جریان اضافی زمان پاسخ دهی را ارائه می دهند که بسیار سریعتر از فیوز حرارتی است و می توان بدون تعویض مجدداً آن را تنظیم و دوباره استفاده کرد. تقویت کننده حس جریان INA381 ، با یک مقایسه سریع یکپارچه ، با از بین بردن نیاز به مقایسه ، مواد را کوچک می کند و روند طراحی مدار را ساده تر می کند. شکل زیر یک مدار ساده شده با استفاده از این دستگاه است.

   انتخاب حسگر جریان صحیح ضروری است ، خصوصاً با توجه به تنوع آنها. به عنوان مثال ، مانیتورهای قدرت دیجیتال یک ADC یکپارچه ایجاد می کنند که فضای ورودی های آنالوگ MCU سیستم را آزاد می کند ، در عین حال به ویژگی های اضافی مانند محاسبه و انباشت نیرو (انرژی) دسترسی پیدا می کند. از طرف دیگر ، تقویت کننده های حسگر جریان آنالوگ به دلیل کم هزینه بودن و چند منظوره بودن ، از محبوبیت بیشتری برخوردار هستند. مقاومت های یکپارچه بهره و مراحل ورودی تقویت کننده های حس جریان آنالوگ ورودی های آنها را قادر می سازد تا ولتاژهای "حالت مشترک" فراتر از میزان تامین را تشخیص دهند ، بنابراین این دستگاه ها را برای سنجش جریان بهتر از تقویت کننده های عملیاتی استاندارد می کند. تقویت کننده های حسگر فعلی همچنین می توانند برای مقایسه با زمان پاسخ سریع تر و سیگنال های هشدار برای محافظت از جریان اضافی با مقایسه کنندگان سازگار شوند. مورد دوم به ویژه برای محافظت از دستگاه های USB-C PD بسیار مهم است. همانطور که قبلاً گفته شد ، تقویت کننده های حس جریان دقیق تر از حسگر جریان یکپارچه اکثر کنترل کننده های USB-C PD هستند. برای درک دلیل ، ابتدا منابع مختلف خطا را که در برگه های داده سنجش جریان وجود دارد در نظر بگیرید و از این منابع برای محاسبه خطاها با استفاده از روش root-sum-square (RSS) استفاده کنید. منابع مختلف خطا موجود در تقویت کننده های اندازه گیری جریان با معادله زیر نشان داده شده است.

   ولتاژ جبران ورودی (VOS) منبع غالب خطا هنگام اندازه گیری جریان های کوچک است زیرا در مقایسه با ولتاژ شنت نسبتاً کوچک بزرگتر است - با افزایش ولتاژ شنت در جریان های بالاتر ، شفاف می شود. این خطای جبرانی ذاتی تمام آمپلی فایرها است و نتیجه عدم تطابق مقاومت و ترانزیستور است. خطای Gain در جریانهای بزرگتر خطا را تحت سلطه خود قرار می دهد ، زیرا حتی در جریانهای بالا نیز این خطا وجود دارد و با افزایش ولتاژ شنت کاهش نمی یابد. این منابع خطا را می توان به صورت دستی با استفاده از معادله بالا محاسبه کرد. برای اطلاعات بیشتر ، با شماره تماس در این وبسایت مشورت کنید.

   نتیجه گیری

   با ظهور USB PD ، تعداد دستگاه های USB با قدرت بالا همچنان در حال رشد است. در این مقاله گزینه های موجود برای اجرای حفاظت های فعلی و نظارت بر توان و همچنین جبران خطاهای تحمل که معمولاً با حسگر جریان یکپارچه در کنترل کننده های USB PD وجود دارد ، ارائه شده است. همچنین نیاز به حداکثر رساندن توان به بار در یک دستگاه منبع تغذیه یا محافظت از یک دستگاه مخزن برق نیز برجسته شده است. تقویت کننده های سنجش جریان با دقت بالاتر و انعطاف پذیری بیشتر در طراحی مدار ، یک راه حل آسان برای بسیاری از این چالش های طراحی ارائه می دهند.