Микросхема TPD4S214 представляет собой однокристальное устройство для USB On-the-Go (OTG) и других приложений USB, связанных с защитой и ограничением тока VBUS.

В микросхему встроен N-канальный ключ с низким сопротивлением открытого канала R_DS(ON) и функцией ограничения тока для подключенных к шине USB периферийных устройств. Также в TPD4S214 встроена защита сигналов от статического электричества (electrostatic discharge, ESD) реализованная на супрессорах выбросов напряжения (transient voltage suppression, TVS), диодах с низкой емкостью. Эта защита применяется для сигналов D+, D- и ID приложений USB2.0 и USB3.0. Ножка VBUS способна выдержать напряжение в диапазоне от -7V до +30V. Функция блокировки по напряжению (over voltage lock-out, OVLO) на VBUS позволяет изолировать и защитить от повреждения внутренние схемы TPD4S214. Подобным образом функция блокировки по недостаточному напряжению (under voltage lock-out, UVLO) на ножке VOTG_IN гарантирует, что не будет потребляться энергия от VBUS для внутреннего источника питания OTG, если напряжение VOTG_IN упадет ниже безопасного рабочего уровня. Когда на EN лог. 1, ключ OTG активируется, и ножка ~FLT показывает, есть или нет событие ошибки. Функция мягкого старта ждет 16 мс включения ключа OTG после того, как выполнены все рабочие условия.

Основные параметры и функции TPD4S214:

• Защита по входу VBUS от напряжений в диапазоне -7V .. +30V.
• Защита от статического электричества (IEC61000-4-2 Level 4 ESD Protection):
   - ±15 kV контактного разряда.
   - ±15 kV разряда через воздушный промежуток.
• Защита от перегрузки по току (IEC 61000-4-5 Surge Protection) 7.8 A (8/20 мкс).
• N-канальный FET ключ с низким сопротивлением открытого канала R_DS(ON).
• Совместимость со спецификациями USB2.0 и USB3.0 OTG.
• Настраиваемое пользователем ограничение тока в диапазоне 250 мА .. 1.2 А.
• Встроенная схема мягкого старта.
• Блокировка обратного тока.
• Блокировка по перенапряжению на VBUS.
• Блокировка по низкому уровню напряжения на VOTG_IN.
• Выключение при перегреве и защита от короткого замыкания.
• Автоматические попытки восстановления при любом отказе, отсутствие состояний не восстановимых блокировок.
• Интегрированная схема детектирования VBUS.
• Блокировочные диоды малой емкости для защиты от статики (TVS ESD Clamp), рассчитанные на скорость USB2.0 High Speed.
• Миниатюрный корпус WCSP (12-YFF).

Области применения микросхемы TPD4S214:

• Сотовые телефоны, смартфоны
• Планшеты, eBook
• Портативные плееры
• Цифровые камеры

Упрощенная схема включения:

Примечание *: рекомендации по выбору блокировочных конденсаторов C_OTG и C_BUS см. далее.

Цоколевка TPD4S214:

	1	2	3
A	VOTG_IN	DET	VBUS
B	VOTG_IN	~FLT	VBUS
C	EN	GND	ID
D	ADJ	D-	D+

Функции выводов TPD4S214:

Подробно технические параметры и характеристики см. в даташите [1].

Когда на сигнале EN присутствует лог. 1, активируется ключ OTG, и уровень на выводе ~FLT показывает событие отказа. Мягкий старт с задержкой 16 мс включения ключа OTG после удовлетворения всех рабочих условий минимизирует переходные процессы и обеспечивает стабильную работу системы. Уровень на выходе ~FLT переходит в лог. 0, что сигнализирует об ошибке, в следующих случаях:

• Событие OVLO (слишком высокое напряжение VBUS > VOVLO).
• Событие UVLO (слишком малое напряжение VBUS, когда VOTG_IN < VUVLO)
• Перегрев.
• Перегрузка по току.
• Короткое замыкание.
• Обратный ток (VBUS > VOTG_IN).

В случае состояния любого отказа (~FLT = 0) ключ OTG закрывается, и микросхема TPD4S214 периодически делает проверки возможности восстановления работы. Если условия отказа устранены, то микросхема снова включается, и уровень ~FLT переходит в лог. 1.

Имеется также функция детектирования VBUS для упрощения обмена между хостом USB и устройством USB. Если эта функция не используется, ножка DET может оставаться неподключенной, или срединена с GND (это сигнал с открытым стоком, см. рис. 24, 29).

Функциональная блок-схема:

Ограничение тока VBUS. С помощью внешнего резистора R_ADJ можно выбрать порог ограничения тока в диапазоне от 0.25A до 1.2A, как показано на рис. 18.

Рис. 18. Схема установки значения ограничения тока I_OCP.

Формула, по которой выбирается резистор R_ADJ (в килоомах) для установки ограничения тока I_OCP (в амперах):

R_ADJ = 55.358 / I_OCP

Рис. 19. Зависимость I_OCP от сопротивления R_ADJ.

Блокировка обратного тока. Если напряжение VBUS больше, чем VOTG_IN, на 50 mV, то ключ OTG запрещается в течение 17.5 мс.

OVLO, UVLO. Функции детектирования перенапряжения на VBUS и недостаточного напряжения на VOTG_IN гарантируют запрет ключа OTG для защиты системы.

Защита от перегрева и КЗ. В микросхеме TPD4S214 есть встроенная схема защиты от перегрева, предотвращающая ошибки в системе и её неправильное использование. Базовая функция схемы выключения при чрезмерном нагреве (thermal shutdown, TSD) - измерять температуру кристалла, и когда она превышает допустимый максимум, выключить микросхему, пока температура кристалла не снизится до безопасного уровня. Защита от короткого замыкания предотвращает любое повреждение системы от превышения тока.

Когда микросхема TPD4S214 включена, протекающий через неё ток вызывает нагрев кристалла. Перегрев может привести к необратимому повреждению микросхемы. Чтобы избежать этого, была разработана схема термозащиты. Когда температура кристалла превышает 141°C, ключ закрывается. Когда температура кристалла снижается до 125°C, ключ открывается, если на EN лог. 1, и если напряжение на VBUS находится в допустимых пределах. Хотя защита от перегрева не выключит микросхему, пока температура кристалла не достигнет 141°C, рекомендуется удерживать температуру кристалла ниже 125°C. Работа при температуре выше 125°C в течение длительного времени может снизить на надежность микросхемы.

Температура кристалла может быть вычислена по следующей формуле:

T_j = T_A + P_D x R_ΘJA

Здесь:

T_j температура кристалла
T_A температура окружающего воздуха
R_ΘJA термосопротивление
P_D мощность, рассеиваемая на микросхеме

P_D = I² x R_DS(ON)

Например, при токе 0.5 A непрерывная рассеиваемая мощность будет:

P_D = 0.5² x 0.3 = 0.075 Вт

Если окружающая температура около 85°C, то температура кристалла будет:

T_j = 85 + (0.075 x 89.1) = 91.7°C

Подразумевается, что при температуре окружающей среды 85°C, TPD4S214 может передавать непрерывный ток 0.5 A без нанесения ущерба. И наборот, показанные выше вычисления можно также использовать для вычисления общего непрерывного тока, который может поддерживать TPD4S214 при любой температуре.

Автовосстановление. При возникновении любого состояния ошибки TPD4S214 автоматически восстановит рабочее состояние, когда уровни VBUS, VOTG_IN и температура кристалла восстановят свои безопасные значения. Нет никаких защелок-блокировок состояния ошибки - ключ OTG снова откроется, и работа микросхемы возобновится.

Детектирование VBUS. Функция детектирования VBUS упрощает коммуникацию между хостом USB и устройством USB. Использование этой функции не обязательно.

Существует несколько важных протоколов, определенных в стандартах OTG и EH Supplement, которые регулируют взаимодействие между хостами USB (A-device) и устройствами USB (B-device). Взаимосвязь между хостом и устройством обычно осуществляется только с помощью вывода ID на коннекторе. В случае, когда соединены два устройства OTG, которые оба могут работать или как хост, или как устройство, измерение уровня напряжения на VBUS будет способствовать процессу установки взаимосвязи (кто будет хостом, а кто устройством). Если к устройству OTG подключен хост вместо устройства USB, то подача питания от OTG не требуется, и системный источник питания OTG должен быть выключен для экономии питания. Блок детектирования VBUS микросхемы TPD4S214 VBUS обеспечивает энергосбережение и питается от VBUS (см. выше функциональную блок-схему). Ножка DET это открытый сток PMOS с состоянием по умолчанию лог. 0.

Когда произошло подключение штекера A, система определяет на ножке ID уровень FALSE, в этом случае сопротивление ножки ID на землю меньше 10 Ом. Для B-штекера система определит уровень на ID как TRUE, и сопротивление ножки ID на землю будет больше 100 кОм. Для питания устройства USB через ключ OTG после его подключения, напряжение на VBUS должно оставаться ниже VBUS_VALID_MIN в пределах времени TA_VBUS_ATT, когда ножка ID становится в уровень FALSE. После этого события система понимает, что устройству USB требуется питание, и разрешает и TPD4S214, и источник питания OTG. Однако, если было определено VBUS_VALID на VBUS в интервале TA_VBUS_ATT, когда ножка ID становится в уровень FALSE, то это либо системная ошибка, либо подключенному устройству питание не требуется. Источник питания OTG остается выключенным, и вся последовательность должна быть перезапущена, когда система обнаружит другое FALSE на ножке ID.

Таблица 1. Схема детектирования VBUS.

X = не имеет значения, H = сигнал лог. 1, L = сигнал лог. 0.

Рис. 21 и рис. 22 показывают диаграммы времени для детектирования VBUS в соответствии со стандартами OTG и EH Supplement. Рис. 28 показывает диаграмму приложения. На рис. 21 ножка DET остается в лог. 0 после того как на ID появляется FALSE, показывая отсутствие активного источника напряжения на VBUS. Контроллер USB переходит к включению источника питания 5V OTG и TPD4S214 соответственно; эта последовательность рекомендуется, потому что TPD4S214 питается от источника питания OTG. После периода tON ток начинает проходить через ключ OTG, и VBUS поднимается до уровня напряжения VOTG_IN.

Рис. 21. Диаграмма времени для правильного устройства USB.

На рис. 22, DET переключается в лог. 1 после того, как детектировано активное напряжение на VBUS в интервале времени TA_VBUS_ATT. Это показывает, что подключенное устройство USB не требует тока зарядки OTG, и остаются выключенными как источник питания 5V OTG, так и микросхема TPD4S214.

Рис. 22. Диаграмма времени для неправильного устройства USB.

На схеме рис. 23 сигнал EN переходит от лог. 0 к лог. 1. Рекомендации по значениям C_IN и C_LOAD см. раздел "Информация по применению".

Защитные диоды. Линии передачи данных D+ и D- имеют емкость меньше 2 пФ, поддерживая полосу сигнала до 3 ГГц. Это легко обеспечивает требования передачи данных на скорости 480 мегабит (High Speed), определенной в спецификации USB2.0.

Задержка старта 16 мс. Встроенная схема задержки запуска позволяет напряжению на VBUS достичь стабильного состояния после того, как слабый управляющий ток порядка 1 мкА медленно откроет основной ключ OTG. В течение этого переходного периода пиковый ток нарастания VBUS будет ограничен не больше, чем ограничение тока, установленное внешним резистором R_ADJ.

Как только микросхема TPD4S214 разрешена, её логика детектирует любое из условий отказа, перечисленных в таблице 2. При отсутствии условий отказа отсчитывается задержка 16 мс, после чего слабый управляющий ток 1 мкА медленно открывает основной ключ. В течение этого переходного периода пиковый ток нарастания VBUS будет ограничен не больше, чем ограничение тока, установленное внешним резистором R_ADJ.

Входной конденсатор (необязательно). Для ограничения падения напряжения на входном источнике питания, вызванного импульсом нарастания тока, когда главный ключ подключит нагрузку в виде разряженного конденсатора, необходимо установить конденсатор между VOTG_IN и GND. Для этого обычно достаточен керамический конденсатор 10 мкФ C_IN, размещенный вблизи этих выводов. Могут использоваться конденсаторы C_IN большей емкости, что еще значительнее снизит просадку входного напряжения в приложениях, которые потребляют большой ток. При подключении больших нагрузок рекомендуется установить входную емкость в 10 раз больше выходной, чтобы избежать чрезмерной просадки входного напряжения.

Выходной конденсатор (необязательно). Из-за интегрированного в ключ NMOS диода настоятельно рекомендуется установить емкость на входе C_IN большую, чем емкость нагрузки C_LOAD. Если C_LOAD больше, чем C_IN, то это может вызвать превышение VBUS по отношению к VOTG_IN, когда отключается системный источник питания. Рекомендуется придерживаться соотношения C_IN / C_LOAD = 10.

Рис. 23. Конфигурация для тестирования нарастания тока.

Таблица 2. Функционирование устройства TPD4S214.

Примечание: OCP означает Over Current Protection, OTP Over Temperature Protection, X не имеет значения, F работает (function), L лог. 0, H лог. 1, T защита сработала (trigger).

[Информация по применению]

Единственным разъемом устройства USB OTG является розетка AB, которая принимает разъем типа A или B (такой розеткой может быть гнездо miniUSB, microUSB или популярное сегодня гнездо USB Type C). Когда в гнездо подключается разъем Type A, устройство OTG называется A-устройством, и когда разъем Type B, устройство называется B-устройством. A-устройство часто называют как "целевой хост", и B-устройство как "устройство USB". TPD4S214 поддерживает устройство OTG, когда система с TPD4S214 действует как A-устройство и подает питание на интерфейс USB. TPD4S214 также может использоваться и в не-OTG приложении, где оно находится на стороне источника тока (т. е. всегда система работает как хост USB).

TPD4S214 устанавливается в схеме сразу за коннектором USB, чтобы предоставить защиту по перенапряжению, перегрузке по току, а также защиту от статического электричества для источника постоянного тока OTG 5V и контроллера USB.

USB 2.0 без встроенного детектирования VBUS. Ниже показан пример использования TPD4S214 для защиты источника питания OTG 5V и контроллера USB 2.0. Этот контроллер USB не использует детектирование VBUS с сигналом DET, так что уровень DET подтянут к GND. TPD4S214 подключен в канал трансмиттера, непосредственно вблизи коннектора USB. Ножки D+, D-, ID на TPD4S214 снабжены цепями блокировки статического разряда, и могут защитить сигналы D+, D-, ID на коннекторе USB.

Рис. 24. Схема включения без использования сигнала детектирования VBUS.

Примечание *: для каждого из конденсаторов C_OTG и C_BUS минимальное рекомендованное значение составляет 1 мкф.

У этого примера используйте для входных параметров следующую таблицу:

Чтобы начать процесс разработки, определите максимальный ток, ожидаемый в нормальном применении. В этом примере максимальный ожидаемый ток 500 мА, поэтому для R_ADJ был выбран номинал 100 кОм, чтобы ограничение тока начиналось примерно с 550 мА. События перегрузки/отказа отслеживаются контроллером USB с помощью сигнала FLT. Сигнал DET не используется, и соединен с землей, либо может вместо этого оставаться неподключенным.

USB 2.0 с детектированием VBUS. Ниже показан еще один пример использования TPD4S214 для защиты источника питания OTG 5V и контроллера USB 2.0. Здесь контроллер USB мониторит уровень VBUS с помощью сигнала DET. Когда подключается устройство с функцией встроенного хоста, на VBUS появляется допустимое напряжение, и нет необходимости включать источник питания OTG, так что контроллер USB может не включать свой источник питания VBUS. Схема включения отличается от рис. 24 только разводкой сигнала DET и наличия на нем подтягивающего pull-up резистора:

Рис. 28. Схема включения без использования сигнала детектирования VBUS.

У этого примера используйте для входных параметров следующую таблицу:

USB 3.0 без встроенного детектирования VBUS. Ниже показан пример использования TPD4S214 для защиты источника питания OTG 5V и контроллера USB 3.0. Этот контроллер USB не использует детектирование VBUS с сигналом DET, так что уровень DET подтянут к GND. TPD4S214 подключен в канал трансмиттера, непосредственно вблизи коннектора USB. Ножки D+, D-, ID на TPD4S214 снабжены цепями блокировки статического разряда, и могут защитить сигналы D+, D-, ID на коннекторе USB.

Рис. 29. Схема включения приложения USB 3.0 без использования сигнала детектирования VBUS.

У этого примера используйте для входных параметров следующую таблицу:

Чтобы начать разработку, определите максимальный ток, ожидаемый при нормальном использовании. В этом примере максимальный ток выбран 900 мА, так что сопротивление R_ADJ установлено номиналом 56 кОм, что будет ограничивать ток на уровне около 1 А.

Рекомендации по источнику питания. TPD4S214 разработана для получения питания от источника постоянного тока OTG 5V. Она может нормально работать (чтобы открыть транзистор nFET) в диапазоне напряжений от 3.8V до 5.55V. Таким образом источник питания для TPD4S214 должен обеспечить (с учетом пульсаций VRIPPLE) напряжение между 3.8V + VRIPPLE и 5.55V – VRIPPLE.

[Ссылки]

1. TPD4S214 USB OTG Companion Device with VBUS Over Voltage Protection, Over Current Protection, and Four Channel ESD Protection site:ti.com.
2. On-The-Go and Embedded Host Supplement to the USB Revision 2.0 Specification site:usb.org