FPF1320 Power Multiplexer Carrier with USB Micro-B Connector

Der Fairchild FPF1320 Leistungsschalter mit zwei Eingängen und einem Ausgang ist ein besonderer IC, der eine Last zwischen zwei Stromquellen umschaltet. Er arbeitet als Leistungsmultiplexer (Mux) und bestimmt über ein digitales Auswahlsignal, welche der beiden 1.5 V bis 5.5 V Eingangsversorgungen mit dem Ausgang verbunden wird. Er verkraftet maximal 1.5 A und blockiert unerwünschte Rückströme vom Ausgang zum Eingang oder zwischen den Eingängen. Jeder Eingangskanal wird von einem internen MOSFET-Schalter gesteuert, wodurch der Spannungsabfall vermieden wird, der entsteht, wenn mehrere Stromversorgungen über Dioden ODER-verknüpft werden.

Der FPF1320 ist jedoch nur in einem winzigen 1 mm × 1.5 mm BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) erhältlich, was die Verwendung für Studierende und Bastler erschwert. Deshalb ist der Chip auf diesem Board auf einer kompakten Trägerplatine mit 0.1″ Pinabstand montiert, die sich einfach mit Standard-Breadboards ohne Löten verwenden lässt. Zudem dient das Board als Breakout für eine USB-Micro-B-Buchse, über die eine der Eingangsversorgungen gespeist werden kann.

Das Board ist so konfiguriert, dass die Versorgung „B“ bevorzugt wird und standardmäßig ausgewählt ist, sobald diese Stromquelle vorhanden ist. Die USB-Versorgung ist mit dieser bevorzugten Schiene verbunden, sodass das Board standardmäßig die USB-Versorgung wählt, wenn USB angeschlossen ist, und andernfalls die alternative Versorgung „A“. Dies ermöglicht die gängige Anwendung eines Geräts, das wahlweise über USB oder ein externes Netzteil versorgt werden kann und automatisch die passende Quelle je nach Anschluss auswählt. Das Standardverhalten kann über einen SMD-Jumper geändert und über den Eingang zur Stromquellenauswahl (SEL) übersteuert werden.

Da es sich um eine Trägerplatine für den FPF1320 handelt, empfehlen wir, das Datenblatt des FPF1320 (1MB pdf) sorgfältig zu lesen.

Verwendung des Leistungsmultiplexers

Pins:

• VINA: Versorgungseingang A. Kann mit einer Stromquelle von 1.5 V bis 5.5 V verbunden werden.
  
  
• VINB: Versorgungseingang B. Kann mit einer Stromquelle von 1.5 V bis 5.5 V verbunden werden. Standardmäßig über einen SMD-Jumper mit VBUS verbunden. Diese Versorgung wird standardmäßig bevorzugt.
  
  
• VBUS: USB-5-V-Versorgung. Standardmäßig über einen SMD-Jumper mit VINB verbunden.
  
  
• VOUT Gemultiplexter Stromausgang.
  
  
• GND: Gemeinsame Masse für Stromversorgungen, Last und USB. (Alle GND-Pins des Boards sind intern miteinander und mit GND der USB-Buchse verbunden.)
  
  
• SEL: Auswahleingang, der bestimmt, welche Stromquelle gewählt wird: LOW (< 0.65 V) wählt VINA, HIGH (> 1.15 V) wählt VINB. Ein On-Board-Pull-up-Widerstand nach VINB sorgt standardmäßig dafür, dass VINB gewählt wird, wenn VINB angeschlossen ist, und andernfalls VINA.
  
  
• EN: Enable-Eingang; bei Low-Pegel wird VOUT sowohl von VINA als auch von VINB getrennt. Wird über einen Pull-up-Widerstand und Dioden zu VINA und VINB auf High gezogen, sodass der IC standardmäßig aktiviert ist, sobald eine der beiden Stromversorgungen vorhanden ist.
  
  
• D−: Von der USB-Buchse herausgeführte Signale.

Steuereingänge

Der FPF1320 verfügt über zwei Steuereingänge, mit denen das Standardverhalten des Bausteins optional übersteuert werden kann: SEL (Stromquellenauswahl) und EN (Enable).

Der SEL-Pin bestimmt, welche Eingangsversorgung mit dem Ausgang verbunden wird: Logisch Low (< 0.65 V) an SEL verbindet VINA mit VOUT, logisch High (> 1.15 V) an SEL verbindet VINB mit VOUT. Das Board zieht SEL standardmäßig auf VINB, sodass bei einer geeigneten Spannung an VINB diese als Stromquelle gewählt wird – unabhängig davon, ob VINA vorhanden ist. VINB ist damit die bevorzugte Stromquelle. Liegt an VINB keine Spannung an, wird der SEL-Pin standardmäßig auf Low gezogen und automatisch VINA gewählt. Durch externes Ansteuern des SEL-Pins wird dieses Standardverhalten übersteuert.

Aufgrund der Standardbeschaltung von SEL auf dem Board fällt die Ausgangsspannung beim Wechsel des Multiplexers von der Quelle VINB zur Quelle VINA kurzzeitig auf die Logikschwelle des SEL-Pins (ca. 1 V) ab. Im Abschnitt „Auswahl der Stromquelle“ weiter unten wird dieses Verhalten ausführlicher beschrieben, ebenso wie Möglichkeiten, es zu ändern.

Der EN-Pin kann auf Low gezogen werden, um den Ausgang abzuschalten und den FPF1320 in einen Stromsparzustand zu versetzen. Das Board zieht EN über einen 100 kΩ Pull-up-Widerstand und zwei Dioden zu VINA und VINB auf High, sodass der Baustein standardmäßig aktiviert ist, sobald an einem der Eingänge eine geeignete Spannung anliegt.

Stromanschlüsse ohne USB

Wenn Sie zwischen zwei allgemeinen Stromversorgungen wählen möchten, schließen Sie eine Stromquelle zwischen VINA und GND und die andere zwischen VINB und GND an. Die Spannungen an diesen Eingängen sollten zwischen 1.5 V und 5.5 V liegen. Die Last wird zwischen VOUT und GND angeschlossen und sollte nicht mehr als 1.5 A ziehen. In dieser Konfiguration wird die Stromversorgung „B“ bevorzugt und standardmäßig mit dem Ausgang verbunden, sobald sie vorhanden ist.

Stromanschlüsse mit USB

Mit der Micro-B-USB-Buchse lässt sich USB einfach als eine der beiden Stromquellen nutzen. Standardmäßig ist die VBUS-Leitung der USB-Buchse mit VINB verbunden. So können Sie Ihre Schaltung entweder über USB oder über eine an VINA angeschlossene externe Stromquelle versorgen, wobei USB die bevorzugte Stromquelle ist.

Soll statt USB die externe Quelle bevorzugt werden, können Sie mit einem Bastelmesser die Leiterbahn im SMD-Jumper des Boards durchtrennen, die die Pads VINB und VBUS verbindet, und anschließend die Pads VBUS und VINA überbrücken, um diese beiden Leitungen zu verbinden. Danach können Sie Ihre externe Quelle an VINB anschließen, sodass sie zur bevorzugten Versorgung wird.

Warnung: Beachten Sie, dass dieses Board zwar drei Stromeingänge hat, zwei davon aber in der Regel miteinander verbunden sind (der FPF1320 hat nur zwei unabhängige Stromeingänge). Achten Sie daher darauf, keinen Kurzschluss zwischen der USB-Versorgung und einem externen Netzteil zu verursachen. Ist das Board beispielsweise in der Standardkonfiguration (d. h. VBUS mit VINB verbunden), muss ein externes Netzteil an VINA angeschlossen werden; ein Anschluss an VINB würde bei angeschlossenem USB einen Kurzschluss zwischen diesem Netzteil und der USB-Versorgung verursachen.

Die übrigen Leitungen der USB-Buchse (D−, D+, ID und GND) sind auf Pins neben VOUT herausgeführt, sodass dieses Modul auch als einfaches Breakout-Board für eine USB-Micro-B-Buchse dienen kann.

Auswahl der Stromquelle

Der FPF1320 selbst kann nahtlos zwischen den Quellen wechseln, wenn sich der Logikpegel des SEL-Signals ändert. Da das Board SEL jedoch standardmäßig auf VINB zieht, wählt der Multiplexer beim Trennen der Quelle VINB die Quelle VINA erst dann, wenn VINB auf die Schwelle gefallen ist, bei der sich der SEL-Zustand ändert (irgendwo zwischen 0.65 V und 1.15 V). Da VOUT bis dahin von VINB versorgt wird, fällt die Ausgangsspannung um denselben Betrag. Das kann problematisch sein, wenn die Last normalerweise mit höherer Spannung arbeitet und einen Abfall auf 1 V nicht verträgt. (Die Last könnte beispielsweise ein 5 V Mikrocontroller sein, der einen Brown-out-Reset ausführt, wenn seine Versorgungsspannung unter 2.7 V fällt.)

Um einen so deutlichen Spannungsabfall beim Wechsel von VINB zu VINA zu vermeiden, können Sie die Spannung an SEL vorspannen. Das Board verbindet SEL über einen 100 kΩ Widerstand mit VINB; ein zusätzlicher Widerstand zwischen SEL und GND bildet einen Spannungsteiler, der die SEL-Spannung senkt und das Board früher umschalten lässt. Ein 30 kΩ Widerstand zwischen SEL und GND senkt SEL beispielsweise auf etwa 1.15 V, wenn VINB 5 V beträgt; in unseren Tests schaltete der FPF1320 dadurch auf VINA um, sobald VINB auf etwa 4 V gefallen war.

Beachten Sie, dass der SEL-Eingang keine präzise Schaltschwelle hat, sodass auch diese Methode für besonders spannungsempfindliche Anwendungen ungeeignet sein kann. In solchen Fällen lässt sich das Auswahlverhalten übersteuern, indem ein digitales Signal (z. B. der Ausgang eines Komparators oder eines Mikrocontrollers, der VINB überwacht) direkt mit dem SEL-Pin verbunden wird.

Mitgelieferte Hardware

Die mitgelieferte 1×12-Stiftleiste im Raster 0.1″ kann in kleinere Stücke gebrochen und eingelötet werden, um das Board mit Lochrasterplatinen, Breadboards oder 0.1″-Buchsenleisten zu verwenden. Das Board verfügt über zwei Befestigungslöcher für #2- und M2-Schrauben (nicht im Lieferumfang).

FPF1320 Leistungsmultiplexer-Trägerboard FPF1320 Leistungsmultiplexer-
mit USB-Micro-B-Buchse Trägerboard mit USB-Micro-B-
mit beiliegenden optionalen Header-Pins. Buchse in einem Breadboard.

Schaltplan

Dieser Schaltplan ist auch als PDF zum Herunterladen (156k pdf) verfügbar.

Technische Daten

Abmessungen

• Größe: 0.8″ × 0.55″ × 0.15″¹
• Gewicht: 0.8 g²

Allgemeine Daten

• Minimale Betriebsspannung: 1.5 V
• Maximale Betriebsspannung: 5.5 V
• Maximaler Ausgangsstrom: 1.5 A