了解汽車應(yīng)用USB充電器設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

汽車信息娛樂市場的最新進(jìn)展需要高效率和低占用空間的供電（PD）解決方案。減少物料清單的傾向促使USB電源應(yīng)用將更多功能和職責(zé)集成到單個(gè)IC中。電池供電的便攜式設(shè)備的激增導(dǎo)致汽車中用于為設(shè)備電池充電的USB插座或端口的數(shù)量增加。本應(yīng)用筆記描述了與汽車應(yīng)用中USB充電器相關(guān)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

介紹

通用串行總線 （USB） 是一種接口標(biāo)準(zhǔn)，用于在外圍設(shè)備和現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備之間提供電力和通信。它由一組公司于1991年開發(fā)，目前由USB互動(dòng)論壇（USB-IF）監(jiān)督。該接口標(biāo)準(zhǔn)使制造商和消費(fèi)者更容易在計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)和電源，包括但不限于鍵盤、鼠標(biāo)、手機(jī)、平板電腦等。USB-IF不斷更新USB標(biāo)準(zhǔn)以包含額外的功能，自推出以來，已經(jīng)有以下標(biāo)準(zhǔn) - USB1.x，USB2.x，USB3.x，最新的是USB4。x. 這些規(guī)格在通信速度和功能方面有所不同，總結(jié)如下：

USB1.x：數(shù)據(jù)速度高達(dá) 1.5Mbps 和 12Mbps。

USB2.x：數(shù)據(jù)速度為 1.5Mbps、12Mbps 和 480 Mbps。

USB3.x：數(shù)據(jù)速度為 5Gbps、10Gbps 和 20Gbps。

USB4.x：數(shù)據(jù)速度高達(dá)40Gbps（Superspeed，Thunderbolt 3/4）。

USB標(biāo)準(zhǔn)還定義了使用的不同連接器，并涉及特殊標(biāo)記，以指示可以達(dá)到的最大通信速度。這些連接器大致分為 A 型、B 型和 C 型，其中根據(jù)大小包含各種子類別。

市場上最新推出的是USB Type-C，它以在將連接器插入U(xiǎn)SB端口時(shí)無論連接器的方向如何都能正常工作而聞名。但是，USB端口和連接并不像人們想象的那么簡單。在推出Type-C和USB 3.x及更進(jìn)一步之前，Type-A和Type-B的USB連接器主要有4根線，VBUS，GND，D +和D-。顧名思義，這些用于為外設(shè)（VBUS，GND）供電，并在外設(shè)和主機(jī)（D+，D-）之間傳輸數(shù)據(jù)。C 型插座端口如圖 2 所示。

圖2.USB C 型插座。

在USB Type-C解決方案中，專用微控制器用于檢測和協(xié)議，為每個(gè)USB插座使用多個(gè)專用微控制器會(huì)增加解決方案的成本和尺寸。通過使用單個(gè)微控制器（USB Type-C策略管理器（TCPM））來解決這一挑戰(zhàn)，該控制器可作為主設(shè)備運(yùn)行，以及多個(gè)USB Type-C端口控制器（TCPC），用于驅(qū)動(dòng)作為從機(jī)運(yùn)行的USB插座。TCPM 和 TCPC 使用 I 進(jìn)行通信2C.

汽車應(yīng)用的挑戰(zhàn)

汽車IC設(shè)計(jì)需要滿足汽車安全完整性等級（ASIL）標(biāo)準(zhǔn)，這是由ISO26262定義的風(fēng)險(xiǎn)分類系統(tǒng)。有四個(gè)ASIL級別，A到D，其中A代表最低程度，D代表最高程度的汽車危險(xiǎn)。安全氣囊、動(dòng)力轉(zhuǎn)向和防抱死制動(dòng)器等關(guān)鍵系統(tǒng)均按照 ASIL-D 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。USB在汽車中的應(yīng)用主要集中在便攜式設(shè)備充電。通常，USB充電器的設(shè)計(jì)不符合ASIL標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)直接影響關(guān)鍵系統(tǒng)。盡管如此，USB充電器的設(shè)計(jì)可以承受惡劣的汽車環(huán)境。以下部分討論各種挑戰(zhàn)并介紹多種解決方案。

高溫環(huán)境

USB 充電端口通常位于儀表板或扶手附近。電源轉(zhuǎn)換電路和控制器封裝在一個(gè)緊密的塑料外殼中，信息娛樂主機(jī)后面的氣流有限。最近的應(yīng)用需要為手機(jī)或筆記本電腦進(jìn)行高速電池充電，這是通過使用高功率DC-DC轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)的。該功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為具有高效率和低封裝熱阻。例如，考慮一個(gè)效率為 100% 的 97W USB 充電器，其功耗為 3W。如果包帶有 ？J= 27°C/W 在環(huán)境溫度下使用 （T一個(gè)） 的 30°C，電源轉(zhuǎn)換器板在 111°C （30 + 27 x 3） 的封閉外殼中工作，這很熱。通常，汽車IC設(shè)計(jì)為在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)工作。如果在外殼溫度變得危險(xiǎn)的地方實(shí)施雙USB端口，則設(shè)計(jì)將變得具有挑戰(zhàn)性。通過使用非常高效的電源轉(zhuǎn)換器、散熱器或同時(shí)使用兩個(gè)端口時(shí)限制功率能力（1 x 100W、1 x 50W 或 2 x 50W）可以解決此問題。為了安全起見，電源轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)部采用熱警告或關(guān)斷電路。

充電端口上的壓降

位于中控臺上或后排乘客座椅附近的 USB 端口使用長電纜連接到電源轉(zhuǎn)換器的輸出。該電源轉(zhuǎn)換器存在于儀表板的信息娛樂主機(jī)中。充電時(shí)，在 USB 插座上的電纜末端觀察到壓降，因?yàn)檫@些電纜的電阻有限。例如，輸出電壓為5V，電流為5A，在100m？電纜在插座處具有 500mV 壓降。這違反了USB （3.0）標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求連接器電壓在±250mV范圍內(nèi)（±5%）。在負(fù)載瞬變期間以及器件連接或斷開時(shí)，插座上觀察到較大的電壓擺幅。通過實(shí)施壓降補(bǔ)償可以解決這個(gè)問題，其中功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與輸出電流成比例增加，如圖4所示?？刂品桨赴ㄕ答仯渲须妷涸黾右栽黾与娏?，這經(jīng)常出現(xiàn)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。這種方法用于補(bǔ)償由于PCB走線和連接器的電阻引起的壓降。這在設(shè)備端提供了準(zhǔn)確的充電電壓。此外，增加一個(gè)檢測電阻以檢測輸出電流會(huì)產(chǎn)生額外的壓降和功率損耗。此外，壓降補(bǔ)償在負(fù)載瞬變期間引入較大的壓降。長電源線除了電阻外，還包括電感，這會(huì)導(dǎo)致快速負(fù)載瞬變期間的壓降很大。

圖4.電纜壓降補(bǔ)償。

電纜接地短至點(diǎn)煙器端口

汽車的點(diǎn)煙器端口與電池連接12V。通常的做法是，充電線的一端始終連接到 USB 插座，而另一端設(shè)備處于浮動(dòng)或斷開連接狀態(tài)。電纜的設(shè)備端具有內(nèi)部連接到電纜接地屏蔽層的金屬表面。此裸露端可以接觸 12V 點(diǎn)煙器端口，導(dǎo)致 12V 電池和電纜接地之間短路。這種情況會(huì)導(dǎo)致流向消費(fèi)類電纜和點(diǎn)煙器接線的電流損壞。USB 充電器端口側(cè)使用接地開關(guān)將接地?cái)嚅_到擴(kuò)展板的連接（圖 6）。檢測到電纜屏蔽短路到電池事件，并關(guān)閉屏蔽接地開關(guān)以保護(hù) USB 充電器、電纜和點(diǎn)煙器。該接地開關(guān)要求具有低 R德森以限制電纜接地電壓電平（移位），從而允許USB通信和檢測。需要額外的保護(hù)電路來保護(hù)驅(qū)動(dòng)D+/D-引腳或CC1/CC2引腳的微控制器。

圖6.電纜屏蔽短至 12V 點(diǎn)煙器。

啟停和冷啟動(dòng)期間頻繁的線路瞬變

用于高壓汽車應(yīng)用中USB端口的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常連接到鉛酸電池。該電池的工作電壓范圍為9V至16V，電壓瞬變可低至4V，最高可達(dá)40V。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷天氣中使用部分充電的電池啟動(dòng)并且發(fā)動(dòng)機(jī)油變得非常濃稠時(shí)，就會(huì)發(fā)生冷啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這反過來又需要來自電池的更多電流。這種大電流負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電源電壓短暫“下降”，這種下降可能會(huì)將電壓從標(biāo)稱值12V壓低至5V以下。這種減少可以持續(xù)數(shù)百毫秒。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電壓就會(huì)恢復(fù)到其標(biāo)稱值。熱啟動(dòng)的電壓曲線類似于具有不同電壓和時(shí)序的冷啟動(dòng)。由冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)引起的電池電源電壓瞬態(tài)行為如圖7所示。自動(dòng)啟停是較新汽車的常見功能，在紅綠燈處等待或交通擁堵時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)短暫關(guān)閉。這種頻繁的啟停會(huì)導(dǎo)致電池電壓下降，并具有與起動(dòng)類似的瞬態(tài)行為。因此，USB充電器設(shè)計(jì)應(yīng)在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)處理高輸入電壓以及拋負(fù)載事件。

圖7.由于冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)而導(dǎo)致的電池電壓瞬變[1].

高壓環(huán)境和靜電放電要求

D+/D- 數(shù)據(jù)引腳支持 USB 中的高速通信。這些引腳由微控制器 IC 或供電 （PD） 控制器驅(qū)動(dòng)，其工作絕對最大額定電壓為 3.3V/5.5V。USB 電纜和插座上的數(shù)據(jù)引腳暴露在高壓環(huán)境中，例如 12V 的點(diǎn)煙器端口，以及其相鄰的 VBUS 引腳可能高達(dá) 21V。為了保護(hù)低壓微控制器，數(shù)據(jù)引腳應(yīng)用高壓FET隔離。類似的條件和要求也適用于 CC 引腳。還應(yīng)通過實(shí)施汽車級ESD保護(hù)（如符合IEC 15-8-61000和ISO 4的±2kV空氣/±10605kV接觸）來保護(hù)這些引腳免受ESD事件的影響。隔離高壓FET和ESD結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使通信眼圖不會(huì)損壞。在汽車應(yīng)用中，插座側(cè) USB 端口引腳分別稱為 HVD+、HVD、HVCC1 和 HVCC2，分別表示 D+、D-、CC1 和 CC2。

MAX25432/MAX25430

MAX25432集成了汽車級100W降壓-升壓控制器和3.3V至21V全范圍可編程電源（PPS），電流高達(dá)5A[2].MAX25430為100W降壓-升壓控制器，具有5V、9V、15V和20V固定輸出電壓，電流高達(dá)5A，適用于USB PD應(yīng)用[3].

MAX25432/MAX25430通過實(shí)現(xiàn)熱關(guān)斷，解決了密封的塑料外殼、氣流受限甚至沒有氣流引起的高溫問題。熱關(guān)斷保護(hù)限制了器件在強(qiáng)制關(guān)斷前允許達(dá)到的溫度。如果芯片溫度超過 +165°C，器件將關(guān)斷并要求其冷卻。一旦設(shè)備冷卻 15°C，設(shè)備就會(huì)再次自動(dòng)啟用。熱過載可在設(shè)備過熱時(shí)保護(hù)設(shè)備。

通過實(shí)施壓降補(bǔ)償來解決后排乘客座椅中由于長電纜引起的電纜電壓降，其中檢測輸出電流并將電流信息反饋到轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部反饋模塊。MAX25432/MAX25430補(bǔ)償壓降可達(dá)516m？來自從 OUT 引腳到用戶電纜的寄生電阻。這包括但不限于 USB 固定電纜、PCB 走線和內(nèi)聯(lián)連接器。電纜補(bǔ)償設(shè)計(jì)用于高達(dá) 5A 的恒壓區(qū)域。電纜補(bǔ)償在進(jìn)入MAX25432的PPS限流區(qū)域時(shí)保持工作狀態(tài)。

通過實(shí)施檢測和控制方案，可以避免通過12V點(diǎn)煙器端口造成電纜屏蔽短路造成的損壞。當(dāng)存在 Type-C 附件并且電纜屏蔽層接觸 25432V 端口時(shí)，大浪涌電流流過接地隔離 FET 的 R德森接地。該浪涌電流在其兩端產(chǎn)生電壓，并通過檢測引腳（SHLD_SNS）進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測電壓超過某個(gè)電壓閾值或斜率時(shí)，觸發(fā)故障檢測比較器。在去抖動(dòng)期后，F(xiàn)ET關(guān)閉并報(bào)告故障情況。

MAX25432/MAX25430設(shè)計(jì)用于4.5V至36V （40V拋負(fù)載）輸入電壓，允許在“熱啟動(dòng)”和啟停條件下工作。設(shè)計(jì)人員必須考慮與輸入保險(xiǎn)絲相關(guān)的電流限制。

MAX25432/MAX25430為USB PD或TCPM控制器提供高壓保護(hù)，使其免受插座或固定電纜事件的影響。在數(shù)據(jù)和 CC 引腳上實(shí)現(xiàn)了 24V 直流保護(hù)。高壓D+/D-引腳（HVD+/HVD-）和CC引腳（HVCC1/HVCC2）受到監(jiān)控和保護(hù)，以應(yīng)對過壓情況，如ESD或電池短路/VBUS事件。MAX25432/MAX25430在USB HVD+、HVD、HVCC1、HVCC2和屏蔽檢測引腳上具有汽車級ESD保護(hù)，與（a）±15kV氣隙/±8kV接觸放電IEC 61000-4-2，（b）±15kV氣隙/±8kV接觸放電ISO 10605。所有其他引腳均采用 ±2kV 人體模型 （HBM） 進(jìn)行 ESD 保護(hù)。MAX25410為數(shù)據(jù)和CC引腳的專用端口保護(hù)器.

引用

審核編輯：郭婷