Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik USB 5V Umschaltung


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Victor K (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

Ich bin aktuell an einem "Retrofit" einer bestehenden Schaltung. Aktuell 
ist es so, das die Schaltung entweder mit 24V&5V aus Netzteilen, oder 
mit 24V aus dem Netzteil und 5V aus dem angeschlossenen USB (zwingend 
für die Funktion notwendig) versorgt werden kann. Die 24V auf der 
Platine, sind nur für die "Durchschlaufung" auf dort platzierte 
Steckverbinder an welche externe Geräte angeschlossen werden können. Die 
Schaltung sowie deren Mikrocontroller laufen mit 5V

Neu ist der Wunsch so, das nicht zwei Spannungen für den Betrieb 
angeschlossen werden sollen. Ebenfalls gibt es neu einen Mikrocontroller 
mit 3.3V. Daher werden neu die Spannungen +5V sowie +3V3 benötigt. 
Hierzu kommt ein Schaltergelermodul (LMZ23601) sowie ein LDO zu Einsatz. 
Da das Modul einen Weitbereichseingang hat, soll dies auch Nutzbar 
werden (Vin neu 7...35.5V statt "24V")

Nun wurde aber auch der Wunsch geäussert, das Modul in verzeinzelten 
Fällen NUR aus dem USB zu versorgen. Soll beipielsweise nur ein 
Relaisausgang genutzt werden, so würde kein zusätzliches Netzeil für die 
Modulversorgung anfallen. Die 500mA aus dem USB reichen aus um den 
"höchsten Maximalstrom" von 400mA auf dem Modul zu versorgen.

Nun möchte ich das aber so lösen, das dies automatisch erkannt wird. Das 
bedeutet, sind am Spannungsregler-Ausgang 5V verfügbar, soll die 
USB-Versorgung weggeschalter/gesperrt werden. Sind keine 5V verfügbar - 
ergo - kein Netzteil vorhanden soll aus dem USB die Versorgung genommen 
werden.

Zusätzlich möchte ich den Strom ab USB elektronisch begrenzen, also das 
nicht mehr als 500mA bezogen werden können, falls z.b. jemand einen 
kurzschluss auf dem 5V verursacht.

Da sowas sicherlich schon öfters gebaut wurde, wollte ich gerne hier 
nach entsprechenden Ideen fragen. Die Lösung sollte möglichst 
professionell und nachhaltig sein.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
5V auf 500mA zu begrenzen bedeutet, 2,5 Watt zu verheizen. Hast du schon 
einen Plan, wohin die Wärme abgeleitet werden soll?

von Stefan (Gast)


Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Was für ein USB ?
USB vom Computer ?
Oder Netzteil ?
Was für ein USB 2.0 oder was ?

von Rainer R. (Firma: Reusch Elektronik) (reusch)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die IC-Hersteller bieten für diese Probleme einige Lösungen an. Hier ein 
paar Beispiele, die ich selbst in Projekten eingesetzt habe...

Der TPS2104 von Texas Instrumenst ist ein einfacher 
Versorgungsspannungsumschalter (wird mit einem Pin gesteuert). Etwas 
komplexer ist der LTC4420 von Linear Technology. Er bietet auch diese 
Umschaltmöglichkeit, priorisiert jedoch automatisch eine Versorgung 
(d.h. sobald diese einen bestimmten Spannungswert erreicht, wird 
automatisch diese Versorgung durchgeschaltet).

Um die Stromaufnahme einer Schaltung zu begrenzen, bin ich vor kurzem 
auf die folgenden beiden IC gestossen: Beim MIC2545A/2549A von Micrel, 
bei dem der Maximalstrom über einen Steuerwiderstand festgelegt wird. 
Dieses IC gibt es wohl schon recht lange, ist aber etwas teurer. Eine 
einfache und preiswerte Lösung ist der STMPS2141 (bzw. 2151, 2161, 2171) 
von ST. Das ist ein Versorgungsspannungsschalter mit fester 
Strombegrenzung (500mA oder 1A). Dieses IC ist recht günstig.

Alle erwähnten ICs hatte ich bei Digikey bezogen. Ich denke aber, dass 
sie auch bei Farnell, Mouser und anderen einschlägigen Distributoren zu 
bekommen sein sollten (ich will hier ja keine Werbung für den, 
allerdings sehr gut sortierten, Ami-Laden machen).

@Stefan
Da hast Du den TO wohl etwas missverstanden. Er möchte die 
USB-Stromaufnahme auf jeden Fall auf 500mA begrenzen, so dass auch im 
Kurzschlussfall die USB-2.0-Spezifikation noch eingehalten wird. Das 
verhindert auf jeden Fall schon mal die Sicherheitsabschaltung des 
USB-Hubs (gute Hubs haben sowas).

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Rainer R. schrieb:
> Er möchte die USB-Stromaufnahme auf jeden Fall auf 500mA begrenzen

Das habe ich schon verstanden. Das heißt aber auch, dass er bis zu 2,5W 
verheizen muss. Dafür braucht man Kühlung - wird gerne mal vergessen.

von Victor K (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Stefan ⛄ F. schrieb:
> 5V auf 500mA zu begrenzen bedeutet, 2,5 Watt zu verheizen. Hast du
> schon
> einen Plan, wohin die Wärme abgeleitet werden soll?
Verheizen möchte ich nicht. Ich möchte einfach das ab 500mA nichts mehr 
bezogen werden kann, oder optional die Versorgung gleich ganz ausgeht. 
Beispielsweise wie wenn man ein Labornetzteil kurzschliesst.

Stefan schrieb:
> Was für ein USB ?
> USB vom Computer ?
> Oder Netzteil ?
> Was für ein USB 2.0 oder was ?

Auf dem Modul ist ein USB-B welcher mit einem Kabel auf einen USB-Port 
verbunden wirt. Da die Geräte auch als Ersatz eingesetzt werden sollen 
muss auf jedenfall auch USB 2.0 möglich sein.

Ein Netzteil für die USB-Versorgung gibt es nicht, diese wird vom 
Computer geliefert.

Rainer R. schrieb:
> Der TPS2104 von Texas Instrumenst ist ein einfacher
> einfache und preiswerte Lösung ist der STMPS2141 (bzw. 2151, 2161, 2171)
> von ST. Das ist ein Versorgungsspannungsschalter mit fester
> Strombegrenzung (500mA oder 1A). Dieses IC ist recht günstig.

Das schaut doch schonmal super aus!

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Victor K schrieb:
> Verheizen möchte ich nicht. Ich möchte einfach das ab 500mA nichts mehr
> bezogen werden kann

Du hast zuerst geschrieben, dass der Strom im Kurzschlussfall auf 500mA 
begrenzt werden soll. Kurzschluss heisst: Die Last hat annähernd 0 Ohm, 
an ihr fallen also annähernd 0 Volt ab. Es bleiben annähernd 5V übrig, 
die der Strombegrenzer aufnehmen muss. 5V mal 500mA = 2,5 Watt.

Wenn du diesen Strom nicht komplett verheizen willst, kannst du ihn zur 
Hälfte in Licht umwandeln. Oder du verwendest einen Schaltregler mit 
Strombegrenzung, dann hast du nur ca. 10% Wärmeverluste, dafür aber 
vielleicht neue EMV Probleme.

> oder optional die Versorgung gleich ganz ausgeht.

Dann wird das mit der Abwärme einfacher. Da aber fast jede Last einen 
hohen Einschaltstrom hat, musst du noch festlegen, wie schnell das Ding 
reagieren soll. Innerhalb dieser Zeit hast du immer noch Abwärme. Die 
kann (wenn es nicht viel ist) ein Halbleiter oder ein bisschen Metall 
aufnehmen.

Oder du begrenzt den Strom gar nicht sondern schaltest nur ab, wenn der 
Strom eine gewisse Zeit lang zu hoch wird (wie eine Sicherung). Dann 
hast du gar kein Problem mit Abwärme, aber eben auch nur begrenzte 
Schutzwirkung.

Kläre erst mal, was du haben willst.

: Bearbeitet durch User
von Toby P. (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Victor K schrieb:
> Nun wurde aber auch der Wunsch geäussert, das Modul in verzeinzelten
> Fällen NUR aus dem USB zu versorgen. Soll beipielsweise nur ein
> Relaisausgang genutzt werden, so würde kein zusätzliches Netzeil für die
> Modulversorgung anfallen. Die 500mA aus dem USB reichen aus um den
> "höchsten Maximalstrom" von 400mA auf dem Modul zu versorgen.

Wie wäre es mit einem Blockschaltbild?

Wenn ich das richtig verstanden habe willst du die Relais mit der USB 
Spannung schalten. Das schalten von Relais passiert dann auf der 
Versorgung des uC. 100mA Reserve finde ich da eher knapp.

> Ich möchte einfach das ab 500mA nichts mehr
> bezogen werden kann, oder optional die Versorgung gleich ganz ausgeht.

Evtl. ein PPTC Element (z.B. multifuse polyfuse polyswitch ) nehmen.

von Rainer R. (Firma: Reusch Elektronik) (reusch)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Stefan
Du hast natürlich schon recht. Wenn so ein USB-Strombegrenzer-IC in die 
Begrenzung geht, können 2,5W erreicht werden. Schaut man sich zum 
Beispiel das Gehäuse des STMPS21x1 an (SOT23-5L, SO-8 oder MSOP8), dann 
ist das ziemlich viel Leistung für ziemlich wenig Gehäuse und das IC 
wird schnell heiß. Aber da greift ein zweiter Schutzmechanismus: Der 
Übertemperaturschutz! Das IC schaltet dann einfach ab! Die 
Kurzschlußsituation ist also nur für eine relativ kurze Zeit gegeben.

Ich denke, die Hauptintension dieser Strombegrenzer-ICs ist, einen 
Spitzenstrom beim Einstecken (durch Aufladung eines Siebelkos) zu 
verhindern. Das schont auch die Kontakte. In einem eigenen USB-Design 
hatte ich auch schon mal die Situation, dass ein 47µF-Elko einen 
Spitzenstrom von ca. 5A zu Folge hatte, wenn auch nur für die Dauer von 
etwa 2µs! Ich habe da so einen per Software steuerbaren USB-2.0-Hub (von 
MCD). Der schaltet in so einer Situation dann ab. Mit einer etwas 
fetteren Spule (100µH) kann man das abmildern oder man nimmt eben so ein 
Strombegrenzer-IC.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Rainer R. schrieb:
> Ich denke, die Hauptintension dieser Strombegrenzer-ICs ist, einen
> Spitzenstrom beim Einstecken (durch Aufladung eines Siebelkos) zu
> verhindern.

Aber wenn du den Spitzenstrom durch Abschalten verhinderst, wie wird 
dann der Kondensator voll?

von No Y. (noy)


Angehängte Dateien:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Was hier teilweise für ein Mist geschrieben wird...

Für USB Strombegrenzung verwendet man einfach einen Lastschalter der für 
USB Strombegrenzung gedacht ist..

Z.B:
TPS2553 https://www.ti.com/product/TPS2553

Gibts mit Latched oder Constant Current.. Ich würde Latched nehmen dann 
hast du auch nix mit Kühlung usw. Da ist halt 5V aus und erst wenn die 
5V am Eingang weg sind oder EN Pin getoggelt wird wird wieder 
durchgeschaltet. Und den OC Pin kannst sogar auswerten..

Bei deiner Umschaltung gibts verschiedene Lösungen:
Je nach benötigtem Strom: TPS2105 / TSP2120 oder andere..

Oder du machst sowas wie im Anhang.. Ich sag nicht das das die perfekte 
Lösung ist, funktioniert aber... Ggf. noch einen Pulldown an den "A" 
dran...

von Kaffeetrinker (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Du musst sicherstellen, dass deine Schaltung nicht mehr als 500mA 
benötigt.

Den Strom Eingangsseitig zu begrenzen ist keine gute Idee. Läuft das in 
Begrenzung, bricht die Spannung ein. Der Controller bekommt nicht genug 
Spannung und macht interessante zufällige Dinge (außer du hast einen 
Brown-Out-Reset programmiert, dann hängt er in einem Reset-Loop). Das 
will man nicht, wirklich nicht.

Wenn man Abgänge hat, wo man die 5V herausgibt, dann muss man dort eben 
USB-Portschalter verwenden, die den Strom begrenzen. Z.B. auf 100mA oder 
so. Musst etwas kucken, für 100mA weiß ich grad keine. Bei Microchip und 
TI gibt es da aber eine gute Auswahl.

von 123 (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

in wie weit wollt / müsst Ihr die USB Specificationen einhalten?
Wenn ich das jetzt richtig verstehen war das bisher ein Selfpowerd 
device. Jetzt wollt Ihr auch USB BusPowerd unterstützen.

Bus Powerd Devices haben einige sonder Anforderungen was die USB 
Specification angeht:
- USB Suspend -> Bus Powerd devices dürfen im Suspend dann nur noch 
2,5mA ziehen (z.B PC im Standby)
- 100mA / 500mA -> Bis zur Enumeration und dem SetConfiguration dürfen 
nur 100mA gezogen werden. Erst nachdem das passende SetConfiguration vom 
PC kam dürfen die 500mA gezogen werden. und ob die freigabe kommt 
entscheidet der PC nicht Ihr! (z.B. USB Bus Powerd 4 Port hub: der darf 
nur 500mA vom Host ziehen. ca 100mA für sich selbst, und jeweils 100mA 
für die anderen Ports. Erst wenn das 2A netzteil um Hub hängt können 
500mA Anforderungen auch akzeptiert werden. Gute hubs kontrollieen die 
Stromaufnahme und schalten ggf sogar den Port dann ab mit passender 
Fehlermeldung im Betriebsystem)
- Startup Zeiten. Zwischen stecken des USB Steckers und der 100mA 
entnahme und er ersten USB Communikation gibt es ein zeitlimit laut 
spezification.

ich würd ggf schauen, das der MC und der ganze 3.3V part unter 100mA @ 
5V bleibt. In dem Zustand tun dann nur die logik, die externen 
aktoren/sensoren (oder was es auch immer sein mag) sind halt dann nicht 
ansprechbar. Erst nach der 500mA freigabe oder bei externer versorgung 
sind dann auch die aktoren / sensoren verfügbar.

PS Es ist immer eine frage wie genau man sich an die USB Specification 
halten will / muss.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.