Dispositivo alimentado por USB com vários capacitores de desacoplamento

Eu tenho um dispositivo USB com vários ICs. Pelo que li, é prática comum usar uma combinação de capacitores de várias faixas para desacoplar cada IC individual, sendo o menor o mais próximo possível e os capacitores maiores não muito distantes.

No entanto, estou enfrentando um dilema:

De acordo com esta fonte , a capacitância máxima de desacoplamento permitida para um dispositivo USB é 10uF. Com vários ICs todos com uma combinação de capacitores de desacoplamento de 0,1uF e 2,2uF / 4,7uF, estou facilmente excedendo esse limite porque estão todos em paralelo.

A única solução em que posso pensar é reduzir / eliminar o capacitor de desacoplamento maior e / ou tentar agrupar alguns capacitores de desacoplamento maiores de alguns ICs, mantendo os capacitores de desacoplamento menores próximos a cada IC.

Na minha opinião, nenhuma dessas soluções parece ideal. Qual é o layout de desacoplamento recomendado para vários ICs em um dispositivo USB?

O consumo teórico de energia de todos os ICs em uso ainda está abaixo do limite que pode ser fornecido via USB 2.0.

Embora não seja exatamente o que você está procurando, usei CIs de gerenciamento de energia para fazer isso. Por exemplo, o TPS2113APW . Eu prefiro esse chip específico porque ele me permite criar dispositivos de dupla alimentação que podem operar com uma parede ou fora do USB, preferindo automaticamente a energia da parede, se disponível.

Se você não precisar de alimentação dupla, poderá usar algo como o MIC2545A

Por fim, qualquer capacitância "por trás" do IC de gerenciamento de energia (ou seja, conectada às saídas do IC) não é "vista" pelo USB; o barramento apenas vê a capacitância "na frente" do IC (isto é, conectado às entradas do IC).

Você ainda precisa se preocupar com a corrente de irrupção - a parte "mais quaisquer efeitos capacitivos visíveis através do regulador" da especificação - mas esses ICs também têm limitação de corrente variável. Descubra as resistências paralelas de que você precisa ter uma limitação de 100 mA e 500 mA (e opcionalmente uma limitação de n mA se desejar limitar a energia da parede) e, em seguida, use FETs para fazer um curto-circuito nos resistores, conforme necessário, para permitir várias limitações.

Por meio desses chips, conectei PCBs com várias centenas de uF ao USB, e um DMM definido como corrente máxima rápida verificou que a irrupção durante a conexão não excedeu 100 mA.

Um dispositivo USB não pode apresentar mais de 10uF de capacitância quando conectado. Isso não significa necessariamente que você pode ter apenas 10uF de capacitores, significa que você precisa limitar a corrente de irrupção à necessária para carregar 10uF na conexão. Na especificação USB:

A carga máxima (CRPB) que pode ser colocada na extremidade a jusante de um cabo é 10 μF em paralelo com 44 Ω. A capacitância de 10 μF representa qualquer capacitor de derivação conectado diretamente através das linhas VBUS na função, além de quaisquer efeitos capacitivos visíveis através do regulador no dispositivo. A resistência de 44 represents representa uma unidade de carga de corrente consumida pelo dispositivo durante a conexão.

Além disso:

Se for necessária mais capacitância de desvio no dispositivo, ele deverá incorporar alguma forma de limitação de corrente de surto VBUS, de modo que corresponda às características da carga acima.

Como você provavelmente sabe, seu dispositivo pode consumir 1 unidade de energia, ou 100mA, durante a conexão sem qualquer negociação.

Se eu estivesse projetando um dispositivo USB de alta potência, faria:

A. Atenda aos requisitos de 10uF, como se eu estivesse usando uma fonte de alimentação comutada ou se meu VDD fosse de 3,3V

ou

B. Use um circuito de "partida suave", como um resistor de 47 ohm em série, com meu enorme capacitor a granel. Use um comparador para detectar a tensão no capacitor a granel. Quando a tensão estiver dentro de 100mV da tensão do barramento USB, faça com que o comparador ligue um P-MOSFET que interrompe o resistor de 47 ohm.

Os 100 nF são os mais cruciais. Coloque-os e, como você diz, o mais próximo possível dos pinos.

2,2 / 4,7 µF para colocar em paralelo é um valor alto e não deve ser necessário em uma fonte de alimentação desacoplada adequadamente. Especialmente em cada CI. Aqui a fonte de alimentação estará a alguma distância e, em seguida, é recomendável um capacitor de alguns µF. Use o valor mais alto que você ainda pode pagar após subtrair as 100 nFs e coloque-o próximo ao IC, que atrairá mais corrente, a menos que esse seja o outro extremo de onde o USB entra no PCB. Então você terá que se comprometer: no caminho do conector USB e não muito longe dos maiores consumidores atuais.

A regra "capacitância máxima através do pino do Vbus" visa impedir que a tensão do Vbus caia baixa o suficiente para redefinir os outros dispositivos USB sempre que um novo dispositivo USB estiver conectado.

Eu já vi alguns dispositivos USB que precisam apenas de um cordão de ferrite para manter a corrente de irrupção dentro das especificações. Eles conectam apenas duas coisas ao pino Vbus do conector USB: a capacitância mínima de desacoplamento VBUS de 1uF diretamente nos pinos Vbus e GND do conector USB e um cordão de ferrite que fornece energia para o restante do dispositivo. Isso permite que eles usem uma capacitância líquida de pouco mais de 10 uF do outro lado do cordão de ferrite.

A maioria dos esquemas para dispositivos alimentados por USB que eu analisei possui um regulador de voltagem que converte entre 4,45 V a 5,25 V do host USB para os 3,3 V usados ​​por todos os chips do dispositivo. O uso de um regulador de tensão com um circuito de "partida suave" mantém a corrente de irrupção dentro das especificações; isso permite que o projetista coloque qualquer quantidade de capacitância na saída do regulador - entre 3,3 V e GND - sem problemas no lado do USB.