隨著便攜式電子設備的廣泛普及，用戶在開車時為自己的設備充電變得越來越頻繁。USB供電功能讓設備充電變得極為便利。USB的高數(shù)據(jù)率也讓新一代信息娛樂系統(tǒng)支持豐富多樣的車載功能，如音頻播放、屏幕和應用共享，以及數(shù)據(jù)連接等等。
傳統(tǒng)USB Type-A接口已經(jīng)廣泛應用于汽車OEM廠商的各種車型，其供電能力最高為7.5W(5V電壓，最高1.5A電流)。隨著USB Type-C接口在PC機、智能手機和其它便攜式電子設備上快速普及，USB Type-A接口正迅速被淘汰。USB Type-C半導體市場預計出貨量到2022年將超過9億片(來源：Gartner 2018年報告和賽普拉斯估計)。
與USB Type-A接口相比，USB Type-C接口結構更緊湊，具備通用連接，可正反插，線纜插拔無方向性限制(Type-C線纜兩端插頭完全相同)。此外，它還能顯著提高輸出功率，最高可達100W(20V電壓，最高5A電流)。由于能夠提供遠高于7.5W的功率，它能實現(xiàn)極富吸引力的新使用模式，可以快速充電，能夠同時為車內(nèi)不斷增加的有源設備充電，如平板電腦、筆記本電腦乃至電動剃須刀(參見圖1)。
圖1.為各種設備充電所需的功率以及能夠滿足要求的USB規(guī)范。
要將具有新一代供電能力的USB Type-C接口植入汽車中，涉及的工作遠不止提高供電端口電壓和電流這么簡單，它還要求采用不同于跟商品級和消費級產(chǎn)品USB口的設計方法。在本文中，我們將探討如何在車輛內(nèi)使用USB，USB Type-C與PD(Power Delivery)控制器應具備的功能，互操作性的影響，以及USB Type-C設計應考慮的主要因素。
Power Delivery(協(xié)商供電)的妙處
我們所處時代的節(jié)奏在不斷加快，我們需要能更快、更頻繁地為我們的設備充電。如果擁有100W供電能力，就能在約15分鐘內(nèi)同時為筆記本電腦和手機充滿電。
提高供電能力是車載USB的關鍵。雖然用戶可以使用Type-A轉 USB-C的適配器，通過車上的老端口為新手機充電，但是這樣做不能充分發(fā)揮USB Type-C接口的優(yōu)勢。具有USB Type-C接口的新一代手機雖然具備快充能力，卻受制于USB Type-A接口的7.5W供電能力。顯然，全功率供電將對客戶滿意度和車型差異化優(yōu)勢有著重要的作用。
一般來說，汽車OEM廠商無需為車上的每一個USB Type-C端口提供全功率100W電力。為了在不嚴重影響充電時間或可靠性的前提下降低成本，可在多個端口間共享100W供電功率，實現(xiàn)所謂的動態(tài)負載共享。在總功率100W的情況下，配合相應的固件，當有第二個設備插入時，USB PD控制器可進行智能的分配，將一個USB Type-C端口的功率降低至60W，而第二個插入的設備可以獲得40W功率(參見圖2)。
圖2. 為降低成本，可在多個端口間共享100W供電功率，即所謂的動態(tài)負載共享。A)單個設備以100W功率充電;B)在第二部設備插入后，兩部設備可共享端口提供的功率。
USB Type-C與PD控制器
為處理USB Type-C和Power Delivery(PD)協(xié)議的復雜性，PD控制器集成了帶有PD邏輯的嵌入式微處理器。典型情況下，該微處理器的固件由處理器制造商提供，要么是一個可下載文件，要么是由開發(fā)環(huán)境直接生成。
汽車OEM廠商要在車輛的長生命周期中提供高可靠的解決方案，通過USB認證只是最低要求?？刂破鲬玫匠墒斓能浖ＶС郑⑼ㄟ^市場檢驗，這樣才能保證USB子系統(tǒng)的可靠性。此外，互操作性也十分必要。因為兩個符合USB規(guī)范的設備也未必能一起工作。
互操作性在汽車應用中起著重要的作用，互操作性差，會給用戶滿意度造成負面影響。USB端口已發(fā)展成為汽車的一項重大功能，從充電、音樂流媒體到智能手機交互，越來越多的功能使用USB端口。購買汽車時，人們有時更關心是否能夠輕松地連接手機和播放音樂，而不是發(fā)動機運轉有多良好。
汽車的使用壽命很長，它們不僅需要與當今市場上幾乎每一種智能手機、平板電腦和筆記本電腦實現(xiàn)互操作，還需要與今后幾年推出的電子設備實現(xiàn)互操作?？紤]到普通智能手機每兩年更換一次，互操作就變得更為重要。
此外，就如許多標準一樣，USB PD標準會隨時間推移而演進發(fā)展。例如，當前標準支持具備可編程供電(PPS)功能的Power Delivery 3.0和Quick Charge (QC) 4.0。如果這些規(guī)范中的任意一種規(guī)范發(fā)生變化(實際上USB Type-C規(guī)范和PD規(guī)范一直處于變化中)，汽車可能就不能完全兼容市場上的新型設備。
實現(xiàn)高可靠、互操作性的唯一途徑是使用可編程的USB控制器。使用可編程控制器有助于對USB PD協(xié)議棧進行升級，使之能與最新設備實現(xiàn)互操作。因為汽車有如此眾多組件需要使用軟件運行，司機們的習慣是，這些軟件升級對車主是透明的。因為當一輛車進行維護保養(yǎng)時，技術人員一般會從升級固件開始。
控制器雖然擁有嵌入式處理器，但它未必具有可編程能力。以固定功能的USB控制器為例，它不需要編程，銷售價格也較低。作為替代品的可配置控制器，能提供數(shù)量有限的、預先編程的配置選項。
固定功能控制器與可配置控制器很適合消費類電子設備(如USB鼠標)等應用。此類應用的產(chǎn)品壽命最多只有幾年時間，而且產(chǎn)品交互簡單，只需與數(shù)量有限、且明確定義的幾種設備進行互操作(如PC機和筆記本電腦)。
由于可編程USB控制器能讓開發(fā)人員充分發(fā)揮控制器的各項功能，為多種設備的互操作和各種用例提供最佳體驗。通過反饋，控制器能動態(tài)調整和調校自身設置，以針對具體設備優(yōu)化性能。此外，在引入新標準或發(fā)生意外問題的時候，通過固件升級，這種USB控制器足以靈活地解決這些問題。這就有助于汽車OEM廠商在車輛的整個使用壽命中確保互操作、質量和可靠性。
值得一提的是，充分發(fā)揮這種控制器的各項功能，并不需要開發(fā)人員直接為控制器編程。開發(fā)人員使用先進的開發(fā)工具，就能定義控制器的各種工作模式。接著，開發(fā)工具能自動生成正確的固件。這些工具也簡化了更新控制器的過程。
此外，一些USB控制器制造商還負責管理新USB設備的互操作性，為車上USB-C口提供升級用的固件，以應對規(guī)范的變化。汽車OEM廠商也就沒有必要專門安排工程資源來自行從事這方面的工作。
車載USB控制器不同于標準化商品。試想，如果USB鼠標停止工作，不到10美元就可以更換。但如果車載USB端口停止工作，則需要昂貴的質保維修才能恢復。因此，車載USB控制器必須符合更高標準。良品率必須遠高于消費類產(chǎn)品。汽車應用的電子設備必須能夠承受更高的工作溫度。汽車組件的保修年限遠遠長于普通消費類電子產(chǎn)品。例如，消費類控制器的保修年限可能很短，而汽車OEM廠商要求的保修年限則超過10年。
保障車規(guī)級可用性的五項技術
設計擁有更大供電能力的USB Type-C子系統(tǒng)，主要挑戰(zhàn)之一是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護以及高壓柵級驅動器。此外，還需要線纜補償，以保障車上信號通過長線纜時的信號質量。汽車的內(nèi)部空間往往很局促，且時常在惡劣的環(huán)境條件下工作，為了實現(xiàn)可靠運行，還需要加溫度控制，控制功率，以防過熱和損壞。此外，在向USB Type-C過渡的過程中，OEM廠商需要支持傳統(tǒng)的USB Type-A設備。
電路保護：在USB端口的現(xiàn)實使用環(huán)境中，USB電路需要防范一系列電氣事件。其中，最常見的就是靜電放電(ESD)。例如，乘客在塑料椅子上來回挪動或摩擦地毯就會累積靜電電荷。如果他們觸碰暴露在外的USB端口，就可能破壞車內(nèi)精密的電子設備，這些設備維修難度大，維修成本高。
為了防止ESD，系統(tǒng)需要與屏蔽地連接，這樣就能安全地耗散能量。理想的話，控制器應集成ESD防護功能。通常，8 KV的接觸放電防護和15 KV的空氣放電防護足以保護控制器不會因ESD事件損壞。此外，也可以在PCB上加裝額外的ESD保護二極管，進一步增強保護。
USB端口還需要防范意外的過壓(OV)和過流(OC)情況。過壓和過流常發(fā)生在設備充電的過程中。在啟動充電時，設備和供電系統(tǒng)要在電流和電壓上保持一致。然而，如果系統(tǒng)提供錯誤的電壓或電流，就需要觸發(fā)過壓保護(OVP)或過流保護(OCP)電路，起到保護設備的作用。
此外，短路保護也是必要的。在將線纜按一定角度拉拽時，Vbus引腳可能與某一個數(shù)字引腳瞬間短路。Vbus的電壓可高達20V，而數(shù)字引腳僅能承受5V，這種短路會損壞相關的端口。與Type-A端口相比，短路保護對于USB Type-C端口顯得更加重要。這是因為，Type-C端口在更緊湊的空間中塞入了22個引腳(而Type-A為9個)，從而提高了Vbus的短路概率。
理想情況下，USB控制器應集成短路保護功能。短路保護可以重置，這樣發(fā)生短路時不會損壞控制器。之后可以重置控制器以恢復該Type-C口功能，這樣短路事件就成為暫時的可恢復事件，不必召回車輛入店維修。如果沒有集成短路保護功能，控制器可能被燒毀，導致嚴重問題。
高壓柵級驅動：為了支持后向兼容，USB Type-C接口的默認電壓為5V。在供電電壓確定后，控制器可能需要從5V FET切換到20V FET，以支持更高功率的供電。如果該功能未集成在控制器中，則需要外加電路來驅動更大功率的FET，以便為Vbus提供20V電壓。
線纜補償：為方便起見，USB端口可能布局在車內(nèi)各處，比如中控臺、后座間的中央儲物盒和/或雜物箱內(nèi)。對于不單用于供電的USB端口(如數(shù)據(jù)功能)，USB控制器還很有可能用于信息娛樂系統(tǒng)。將儲物盒中的端口連接到信息娛樂系統(tǒng)可能需要長達10英尺的USB線纜。使用如此長的線纜可能造成嚴重的壓降，對信號質量和可靠性造成不利影響。
為了保持長線纜中的信號質量處于可靠的工作范圍內(nèi)，控制器可以施加補償。簡單來說，控制器內(nèi)的固件可調節(jié)輸出電壓，以補償超長線纜產(chǎn)生的壓差。這種補償可根據(jù)使用的線纜長度采取固定數(shù)值，控制器也可以通過定期對接收到的信號進行監(jiān)控、修改補償調節(jié)量，進行動態(tài)壓降補償。
過溫功率控制：采用USB Type-C的另一挑戰(zhàn)是如何解決高達100W功率充電時產(chǎn)生大量熱的問題。過熱可能造成一系列問題，包括引發(fā)火災和/或損壞正在充電的設備。臨近的、對熱比較敏感的組件，如信息娛樂系統(tǒng)或導航系統(tǒng)的電子設備，也可能受到不利影響。過大的熱耗散甚至可能破壞USB端口本身，需要昂貴的維護或保修。
過溫功率控制是防止過熱的有效方法。布置在敏感組件旁邊的熱傳感器在接近熱閾值時會警示控制器?？刂破麟S即降低充電功率。降低功率后，發(fā)熱減少，系統(tǒng)便可以冷卻下來。與此同時，連接的設備仍然在充電，只是速度降低。這種安全功能應集成在控制器的微處理器中，并對用戶透明。
支持傳統(tǒng)的USB Type-A口：雖然新設備將采用USB Type-C接口，但是使用USB Type-A接口的設備仍有數(shù)十億之多。汽車OEM廠商需要提供Type-A端口，為這些傳統(tǒng)設備提供支持。不必設計兩個單獨的USB子系統(tǒng)，現(xiàn)有的控制器能同時支持Type-A端口和Type-C端口(參見圖3)。這類一體化控制器在簡化系統(tǒng)設計的同時，最大限度地降低了總BOM成本。
圖3 賽普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同時支持Type-C端口和Type-A端口，因此用戶既能連接Type-C端口設備并實現(xiàn)快速充電，也能連接他們的傳統(tǒng)Type-A端口設備并為其充電。
為了確保電源的可靠性，需要實現(xiàn)上述所有功能。這樣會顯著增加車載USB Type-C與PD子系統(tǒng)的成本和空間占用。面向汽車市場的USB控制器將這些功能和其他功能集成在一起(參見圖4)，確保全部組件都達到車規(guī)要求，可以很好地協(xié)同工作、降低成本、簡化設計。減少需要裝配的元件數(shù)量還可以減少潛在的故障點，提高可靠性。
圖4. 面向汽車市場設計的USB Type-C控制器，比如這里顯示的賽普拉斯CCG3PA，通過集成必要組件，確保高可靠供電、降低成本、簡化設計，同時在車輛的使用壽命中保持良好的互操作性。
賽普拉斯是歷代USB技術的領先供應商。汽車OEM廠商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器，能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部優(yōu)勢提供給自己的客戶。CCG3PA評估套件可為USB Type-C電源適配器/充電器和充電寶設計提供全面的支持，包括固件生成。
隨著USB PD迅速成為汽車的標配功能，能與新一代便攜式設備互操作成為關鍵。汽車需要支持USB Type-C接口。從USB Type-A升級到USB Type-C還能支持快速充電等新的功能。為了在車輛的整個使用壽命周期中保持高質量和互操作性，設計人員需要足夠靈活的可編程控制器，以適應USB規(guī)范變化、并與基于新規(guī)范的未來產(chǎn)品進行互操作。通過將關鍵功能集成到控制器中，為內(nèi)部電子設備提供保護，OEM廠商既能保障可靠性，也能最大限度地降低系統(tǒng)成本。
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