Bloguetrónica: Módulo carregador USB "uCharge"

Este é um módulo que permite alimentar dispositivos USB, possibilitando ao mesmo tempo a comunicação com um PC. O módulo pode fornecer até 1,75A, o que corresponde a mais do triplo da corrente normalmente fornecida por um porto USB 2.0. Para além do mais, pode funcionar sem estar ligado a um computador, neste caso como um simples carregador USB. Tais características tornam o uCharge muito útil na alimentação de dispositivos que requeiram uma corrente superior a 500mA.

Parâmetros de funcionamento:
– V_{d. mín.} = 6,63V
– V_{d. máx.} = 17,27V
– I_{L máx.} = 1,75A

Características eléctricas:
– I_d. (V_d. = 7V, I_L = 0A) = 16,64mA
– I_d. (V_d. = 16V, I_L = 0A) = 6,85mA
– P (V_d. = 7V, I_L = 0A) = 116,5mW
– P (V_d. = 16V, I_L = 0A) = 109,6mW

O componente central do circuito é o TPS62143 (IC1), um conversor DC-DC da Texas Instruments capaz de fornecer até 2A de corrente. Essencialmente, é este conversor que vai fornecer uma tensão regulada de 5V ao dispositivo a ser alimentado. À saída do mesmo, um filtro constituído por L1 e C5 converte a corrente pulsada em corrente contínua. Neste aspecto, é importante salientar que a ondulação após o filtro nunca é superior a 20mV_pp, e isto em regime de carga máxima. O conversor DC-DC pode ficar habilitado apenas enquanto for detectada a tensão V_bus proveniente do porto anfitrião, ou então de modo permanente, conforme a posição do shunt em JP1.

Foram implementadas numerosas medidas de protecção contra sobre-tensões, inversões de polaridade, excesso de corrente e descargas electrostáticas. Um circuito crowbar com SCR, constituído pelo tirístor Q1 e por D3, C1 e R1, protege contra sobre-tensões. Esta protecção é complementada por D1, que é um díodo Zener adequado para transientes, e portanto cuja acção é muito mais rápida. A protecção contra inversões de polaridade é garantida por D2, também em conjunção com D1. O fusível em F1 actua em caso de sobre-corrente na alimentação, servindo de complemento às protecções anteriores.

Lista de componentes:
C1 – Condensador cerâmico multi-camada 10nF 10V (0805);
C2 – Condensador de electrólito sólido RNS1E101MDN1;
C3 – Condensador cerâmico multi-camada 10µF 25V (1210);
C4 – Condensador cerâmico multi-camada 3,3nF 25V (0805);
C5 – Condensador cerâmico multi-camada 22µF 10V (1210);
C6 – Condensador electrolítico de nióbio NOJD107M010 (NOJD107M010RWJ ou equiv.);
D1 – Díodo TVS SMBJ18A;
D2 – Díodo rectificador S3A;
D3 – Díodo Zener BZX84-B16;
D4/5 – Díodo Schottky BAT54;
D6 – LED Kingbright APT2012EC (ou KPT-2012EC);
F1 – Fusível PPTC 2920L150;
IC1 – Conversor DC-DC TPS62143 (TPS62143RTG);
IC2 – Circuito de protecção PolyZen ZEN056V175A12YM;
J1 – Receptáculo de alimentação 5,5mm x 2,1mm;
J2 – Conector USB Molex 67068-8001;
J3 – Conector USB Molex 67643-2911;
JP1 – Conector header macho de 3 pinos (com shunt);
L1 – Indutor de potência XFL4020-222MEB;
Q1 – Tirístor SCR MCR703AT4G;
R1 – Resistor de filme espesso 150Ω±5% 1/8W (0805);
R2/3 – Resistor de filme espesso 47KΩ±5% 1/8W (0805);
R4 – Resistor de filme espesso 180Ω±5% 1/8W (0805).

O layout da placa está disponível nos formatos brd (Eagle 7.6.0) e Gerber. Como de costume, recomendo que a encomenda da placa seja feita através do OSH Park, dado que o layout foi desenhado em concordância com as especificações deste serviço. Se porventura desejar utilizar outro serviço de fabrico, verifique se o mesmo suporta layouts de quatro camadas, furação a partir de 0,5mm e se o stackup e materiais são idênticos. Convêm reforçar que este último critério é determinante para uma impedância correcta do par diferencial de USB.

Relativamente à montagem, esta requer algum equipamento especializado. A soldadura dos componentes SMD deve ser feita por refusão com ar quente. Por outro lado, os componentes through-hole podem ser soldados empregando um ferro de soldar. Após a soldadura e de modo a finalizar, deverá colar os pés de borracha na parte inferior da placa. Recomendo pés do tipo SJ5076, da 3M.