Schalten und Schützen
Mini-Power-Switches von Ricoh für USB-Hosts und -Hubs
USB-Hosts stellen angeschlossenen Geräten 100 mA Strom bei 5 Volt zur Verfügung, besonders hungrige Anwendungen erhalten nach entsprechen der Verhandlung sogar 500 mA. Um die Host-Systeme vor Kurzschluss oder exzessivem Stromverbrauch zu schützen, gibt es smarte Schalter, die sich neben der Energieeinspeisung auch um den Schutz der Elektronik sorgen.
- Abbildung 1: Nicht nur Speichersticks lassen sich am USB-Port betreiben.
USB versorgt seine Klienten
Der Universal Serial Bus verfügt neben seinen differentiellen Datenleitungen (D+, D-) über eine Versorgungsleitung mit nominell 5 Volt Spannung im Toleranzbereich von 4.75 bis 5.25 Volt. 500 mA muss der Host bzw. Hub an seine Peripherie maximal liefern können, 2.5 Watt immerhin, ausreichend, um Ein richtungen wie Speicher- Sticks oder Modems damit zu betreiben. Das Stromangebot aus der USB-Dose hat inzwischen auch fi ndige Köpfe auf den Plan gerufen, die uns das Leben am PC bzw. Notebook mit Leselampen und Kühlventilatoren erleichtern wollen. Die neuen Spezifikationen bezüglich USB OTG (On-The-Go) und „Battery Charging“ bringen zukünftig neue Power- Betriebsarten in das System – USB-Geräte können damit sogar 1.5 A aus USB-Hosts oder -Hubs ziehen (1.5 A bei Low & Full Speed oder 900 mA im Hi-Speed Mode) oder sogar 1.8 A bei dedizierten Ladegeräten.
Ricohs Power-Distribution- Schalter mit Schutzfunktion
Nicht nur USB-Geräte, auch PCI (Express) Cards, Subscription- und Decryption- Cards werden von ihren Hosts – egal ob PCs, Notebooks oder Settop-Boxen – mit der notwen digen Betriebsenergie versorgt. Die ent sprechenden Controller in diesen Ge räten brauchen nun elektronische Schal ter, mit denen die Versorgung an die Clients angeschaltet werden kann und sich unter kritischen Betriebsbedingun gen – Kurzschluss etwa – rasch wieder abkoppeln lässt. Dafür gibt es nun mit den beiden CMOSICs R5520 und R5523 unseres Her stellers Ricoh eine Lösung, die speziell für PC Motherboards, Self-Powered USB-Hubs oder auch Multimedia-Applikationen entwickelt wurde. Diese USB Schutzschalter oder “USB Protection Switches“ sind zwischen der internen 5Volt Spannungsversorgung des Hosts und dem jeweils angeschlossenen USB-Gerät geschaltet und ermöglichen damit nicht nur die gesteuerte Versorgung der Clients, sondern auch wirksamen Schutz gegen zu hohe Ströme oder gegen Überhitzung. Im Vergleich mit entsprechenden ICs auf Basis bipolarer Technologie haben die CMOS-Schalter signifikant niedrigeren Eigen verbrauch und Standby-Strom.
- Abbildung 2: Blockdiagramm der R55xx High-Side USB Switches von Ricoh.
Durch Aktivieren des Chip-Enable-Eingangs schaltet der interne MOSFET-Transistor ein, initiiert einen Soft-Start und verbindet die Stromversorgung mit dem externen USB-Equipment. Sollte die festgelegte Stromgrenze von 750 mA bei Stromspitzen bzw. 1.2 A bei langsam steigenden Strömen überschritten werden, so wird ein Flag-Pin gesetzt und das IC geht in den sog. „constant current state“ über, das heißt, es liefert genau 500 mA in den ange schlossenen Verbraucher.
Der USB-Controller kann nun den Switch ganz abschalten und eine entsprechende Meldung an den Anwender geben. Die Flag-Logik übrigens ist mit einer Totzeit von 10 ms ausgestattet, um Fehlauslösungen durch hohe Einschaltströme oder Hot-Plug- Ereignisse sicher auszuschließen.
- Abbildung 3: Die USB-Switches werden zwischen der Spannungsversorgung des Hosts und dem USB-Clients geschalten und vom internen USB-Controller gesteuert.
Zusätzlich verfügen die Schalter über eine thermische Sicherung, die bei Überschreiten von 135ºC zu einem kompletten Abschalten des MOSFETs führt und ebenfalls den Pin FLG auf den aktiven Zustand „L“ setzt. Kühlt das IC danach ab, wird es automatisch bei Unter schreiten von 125ºC wieder aktiviert. Wenn bis dahin die Ursache der Überhitzung - i.d.R. ein Kurzschluss - nicht behoben ist, so ergibt sich ein stationäres Ein- und Ausschalten des USB-Switches und entsprechende Signale am FLG-Pin.
- Abbildung 4: Auslösen der thermischen Sicherung - nach Kurzschluss geht das IC zunächst in den „constant current state“. Nach Überschreiten der oberen Temperaturschwelle schaltet der interne MOSFET ab, nach Unterschreiten wieder ein.
Last but not least verfügen die USB High-Side-Switches von Ricoh über eine Unterspannungs erkennung namens ULVO (under voltage lockout), die das IC solange inaktiv hält, solange die Versorgungsspannung unterhalb eines vorgegebenen Wertes von typischerweise 2.4 Volt liegt. Dies vermeidet Fehlfunktionen angeschlossener USB-Geräte vor allem während des Bootvorgangs.
Neben dem Einsatz von smarten Schaltern im USB-Hostbereich bietet Ricoh auch Lösungen für PCMIA- und ExpressCard- Hosts (R5531, R5535) sowie für die Slots von CableCards bzw. Common Interface Cards in Settop-Boxen (R5521, R5522).
Technology Transfer 2008 Heft 3
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