為汽車 USB 電源選擇合適的解決方案

USB Type-C是一種相對(duì)較新的高功率USB外設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)和便攜式電子設(shè)備。USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)了USB供電規(guī)范的改變，不同于長(zhǎng)期存在的5 V USB標(biāo)準(zhǔn)，Type-C標(biāo)準(zhǔn)的總線電壓最高可達(dá)20 V，電流輸送能力最高可達(dá)5 A。連接的USB-C設(shè)備可以相互識(shí)別并協(xié)商總線電壓——從默認(rèn)5 V USB輸出到幾個(gè)更高的預(yù)設(shè)電壓等級(jí)，以便在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的電池充電和更高的功率輸送（最高可達(dá)100 W）。

隨著新車中 USB 端口的普及，為這些端口中的每一個(gè)提供電源變得更加重要和繁瑣。他們龐大的數(shù)量和不同的位置需要一個(gè)強(qiáng)大、簡(jiǎn)單和低成本的解決方案，以便為原始設(shè)備制造商 (OEM) 提供最快的設(shè)計(jì)時(shí)間并為最終用戶提供最大的功能。

由于使用主汽車電池供電的降壓轉(zhuǎn)換器通常為 USB 端口供電，因此轉(zhuǎn)換器必須能夠承受或受到保護(hù)，避免汽車電池上不可避免的電壓偏移或尖峰。只有更高額定電壓的降壓轉(zhuǎn)換器才能承受更高的電池電壓并在電池電壓尖峰期間繼續(xù)運(yùn)行。

電池充電器中使用的簡(jiǎn)單緊湊型降壓調(diào)節(jié)器和線性穩(wěn)壓器，僅需要5 V、500 mA至2 A的USB供電，并未充分覆蓋全部Type-C USB電源范圍。Type-C USB電源增加的電壓范圍（5 V至20 V），需要的不僅僅是9 V至36 V（或60 V）汽車電池或其他充電電源的降壓轉(zhuǎn)換，還需要一個(gè)可調(diào)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以便能夠同時(shí)對(duì)輸入至輸出電壓進(jìn)行升壓和降壓。

由于大多數(shù) USB 端口只是為便攜式設(shè)備電池充電，乘客通常可以忍受短暫的供電中斷。因此，您可以使用過壓保護(hù)電路來保護(hù)降壓轉(zhuǎn)換器免受短暫的較高電池電壓的影響，而不是設(shè)計(jì)一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來承受過壓。每當(dāng)電池電壓過高時(shí)，過壓保護(hù)電路就會(huì)斷開降壓轉(zhuǎn)換器與電池的連接。

此外，對(duì)于高功率汽車USB充電器，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)支持10 A或更高峰值開關(guān)電流額定值，并提供低EMI性能。將開關(guān)頻率設(shè)置在AM無線電頻帶之外并使解決方案保持小尺寸的能力是頗受追捧的特性。高壓?jiǎn)纹D(zhuǎn)換器（帶片上開關(guān)）不能承受如此高的峰值開關(guān)電流而不燒毀。

1.方案1

LT8390A 是一款獨(dú)特的2 MHz同步四開關(guān)降壓-升壓控制器。在2 MHz開關(guān)頻率時(shí)，它可提供5 V至15 V的輸出電壓（3 A時(shí)最高45 W），以通過汽車電池為USB-C設(shè)備供電。如此高的控制器開關(guān)頻率使得解決方案尺寸很小，帶寬很高，并且AM無線電頻帶之外的EMI很低。擴(kuò)頻調(diào)頻和低EMI電流檢測(cè)架構(gòu)均有助于LT8390A應(yīng)用通過CISPR 25 Class 5級(jí)EMI標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格考驗(yàn)。

提高設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率允許使用較小的電感，而這常常是寬輸入電壓四開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中尺寸最大的元件。與150 kHz或400 kHz設(shè)計(jì)相比，LT8390A的2 MHz開關(guān)頻率能力支持使用尺寸小得多的電感。圖1顯示了一個(gè)完整設(shè)計(jì)。除了較小的電感外，該解決方案僅使用陶瓷型輸出電容，無需使用體積較大的電解電容。

2. 方案2

如果需要在輸入端承受過壓，則必須將此類電路與較低額定電壓的器件（例如TPS62130A-Q1）一起使用降壓轉(zhuǎn)換器。該汽車設(shè)備接受高達(dá) 17V 的電壓并提供 3A 的電流。通過其同步整流，高效；它的 3mm×3mm 封裝對(duì)于其功率級(jí)別的轉(zhuǎn)換器來說很小。

TPS6213XA-Q1 器件是一款易于使用的同步降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器，針對(duì) 應(yīng)用 進(jìn)行了優(yōu)化。通常為 2.5MHz 的高開關(guān)頻率允許使用小型電感器，并且通過使用 DCS-Control? 拓?fù)浼夹g(shù)提供快速瞬態(tài)響應(yīng)以及高輸出電壓精度。

借助 3V 至 17V 的寬運(yùn)行輸入電壓范圍，該器件非常適合由中間總線電源軌供電的系統(tǒng)。該器件在輸出電壓介于 0.9V 至 6V 之間時(shí)支持高達(dá) 3A 的持續(xù)輸出電流（使用 100% 占空比模式時(shí)）。輸出電壓?jiǎn)?dòng)斜率由軟啟動(dòng)引腳控制，從而實(shí)現(xiàn)作為獨(dú)立電源或者在跟蹤配置下的運(yùn)行。通過配置使能和開漏電源正常引腳也有可能實(shí)現(xiàn)電源排序。

在節(jié)能模式下，該器件可根據(jù) VIN 生成約 17μA 的靜態(tài)電流。如果負(fù)載較小，則自動(dòng)且無縫進(jìn)入省電模式，并在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。在關(guān)斷模式下，該器件處于關(guān)斷狀態(tài)，期間的電流消耗低于 2μA。該器件采用 3 × 3mm (RGT) 16 引腳 VQFN 封裝。

除了耐受更高的電池電壓或受到保護(hù)之外，許多 USB 端口還需要能夠調(diào)節(jié) USB 端口的 5V 電壓以滿足 USB 規(guī)范，即使在負(fù)載電流變化和汽車線路上相應(yīng)的可變電壓降的情況下也是如此。這種電纜壓降補(bǔ)償對(duì)于那些將降壓轉(zhuǎn)換器定位在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU) 中且不靠近整個(gè)車輛的實(shí)際 USB 端口的 USB 端口尤為重要。將降壓轉(zhuǎn)換器放置在 ECU 中的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是單個(gè)印刷電路板 (PCB) 包含所有電子設(shè)備，而不是為每個(gè) USB 端口配備大量單獨(dú)的 PCB——這可以節(jié)省成本。缺點(diǎn)是每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器都需要電纜壓降補(bǔ)償。

為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，TPS2549-Q1 USB 端口充電控制器集成了三個(gè)有用的功能：用于保護(hù)端口免受過流條件影響的限流電路、USB 設(shè)備和 USB 主機(jī)之間通信所需的協(xié)商以及允許簡(jiǎn)單的電纜壓降補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)。該引腳可輕松與任何降壓轉(zhuǎn)換器連接，以根據(jù) USB 端口的電流消耗變化調(diào)整其輸出電壓。