汽車(chē)信息娛樂(lè )市場(chǎng)的進(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電源應用將更多功能和職責集成到單個(gè)IC中。電池供電的便攜式設備的激增導致汽車(chē)中用于為設備電池充電的USB插座或端口的數量增加。本應用筆記描述了與汽車(chē)應用中USB充電器相關(guān)的設計和系統挑戰。
介紹
通用串行總線(xiàn) （USB） 是一種接口標準，用于在外圍設備和現代計算設備之間提供電力和通信。它由一組公司于1991年開(kāi)發(fā)，目前由USB互動(dòng)論壇（USB-IF）監督。該接口標準使制造商和消費者更容易在計算機和外圍設備之間共享數據和電源，包括但不限于鍵盤(pán)、鼠標、手機、平板電腦等。USB-IF不斷更新USB標準以包含額外的功能，自推出以來(lái)，已經(jīng)有以下標準 - USB1.x，USB2.x，USB3.x，的是USB4。x. 這些規格在通信速度和功能方面有所不同，總結如下：
USB1.x：數據速度高達 1.5Mbps 和 12Mbps。
USB2.x：數據速度為 1.5Mbps、12Mbps 和 480 Mbps。
USB3.x：數據速度為 5Gbps、10Gbps 和 20Gbps。
USB4.x：數據速度高達40Gbps（Superspeed，Thunderbolt 3/4）。
USB標準還定義了使用的不同連接器，并涉及特殊標記，以指示可以達到的通信速度。這些連接器大致分為 A 型、B 型和 C 型，其中根據大小包含各種子類(lèi)別。
市場(chǎng)上推出的是USB Type-C，它以在將連接器插入USB端口時(shí)無(wú)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(jiǎn)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(xiàn)，VBUS，GND，D +和D-。顧名思義，這些用于為外設（VBUS，GND）供電，并在外設和主機（D+，D-）之間傳輸數據。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(zhuān)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(zhuān)用微控制器會(huì )增加解決方案的成本和尺寸。通過(guò)使用單個(gè)微控制器（USB Type-C策略管理器（TCPM））來(lái)解決這一挑戰，該控制器可作為主設備運行，以及多個(gè)USB Type-C端口控制器（TCPC），用于驅動(dòng)作為從機運行的USB插座。TCPM 和 TCPC 使用 I 進(jìn)行通信2C.
汽車(chē)應用的挑戰
汽車(chē)IC設計需要滿(mǎn)足汽車(chē)安全完整性等級（ASIL）標準，這是由ISO26262定義的風(fēng)險分類(lèi)系統。有四個(gè)ASIL級別，A到D，其中A代表程度，D代表程度的汽車(chē)危險。安全氣囊、動(dòng)力轉向和防抱死制動(dòng)器等關(guān)鍵系統均按照 ASIL-D 標準設計。USB在汽車(chē)中的應用主要集中在便攜式設備充電。通常，USB充電器的設計不符合ASIL標準，因為它們不會(huì )直接影響關(guān)鍵系統。盡管如此，USB充電器的設計可以承受惡劣的汽車(chē)環(huán)境。以下部分討論各種挑戰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(lè )主機后面的氣流有限。近的應用需要為手機或筆記本電腦進(jìn)行高速電池充電，這是通過(guò)使用高功率DC-DC轉換電路來(lái)實(shí)現的。該功率轉換器設計為具有高效率和低封裝熱阻。例如，考慮一個(gè)效率為 97% 的 100W 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(chē)IC設計為在-40°C至+125°C溫度范圍內工作。如果在外殼溫度變得危險的地方實(shí)施雙USB端口，則設計將變得具有挑戰性。通過(guò)使用非常高效的電源轉換器、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(wèn)題。為了安全起見(jiàn)，電源轉換器IC內部采用熱警告或關(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(cháng)電纜連接到電源轉換器的輸出。該電源轉換器存在于儀表板的信息娛樂(lè )主機中。充電時(shí)，在 USB 插座上的電纜末端觀(guān)察到壓降，因為這些電纜的電阻有限。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）標準，該標準要求連接器電壓在±250mV范圍內（±5%）。在負載瞬變期間以及器件連接或斷開(kāi)時(shí)，插座上觀(guān)察到較大的電壓擺幅。通過(guò)實(shí)施壓降補償可以解決這個(gè)問(wèn)題，其中功率轉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�，其中電壓增加以增加電流，這經(jīng)常出現穩定性挑戰。這種方法用于補償由于PCB走線(xiàn)和連接器的電阻引起的壓降。這在設備端提供了準確的充電電壓。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，壓降補償在負載瞬變期間引入較大的壓降。長(cháng)電源線(xiàn)除了電阻外，還包括電感，這會(huì )導致快速負載瞬變期間的壓降很大。
圖4.電纜壓降補償
電纜接地短至點(diǎn)煙器端口
汽車(chē)的點(diǎn)煙器端口與電池連接12V，如圖5所示。通常的做法是，充電線(xiàn)的一端始終連接到 USB 插座，而另一端設備處于浮動(dòng)或斷開(kāi)連接狀態(tài)。電纜的設備端具有內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，導致 12V 電池和電纜接地之間短路。這種情況會(huì )導致流向消費類(lèi)電纜和點(diǎn)煙器接線(xiàn)的電流損壞。USB 充電器端口側使用接地開(kāi)關(guān)將接地斷開(kāi)到擴展板的連接。檢測到電纜屏蔽短路到電池事件，并關(guān)閉屏蔽接地開(kāi)關(guān)以保護 USB 充電器、電纜和點(diǎn)煙器。該接地開(kāi)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。需要額外的保護電路來(lái)保護驅動(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(xiàn)路瞬變
用于高壓汽車(chē)應用中USB端口的DC-DC轉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，可達40V。當發(fā)動(dòng)機在寒冷天氣中使用部分充電的電池啟動(dòng)并且發(fā)動(dòng)機油變得非常濃稠時(shí)，就會(huì )發(fā)生冷啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機起動(dòng)需要啟動(dòng)器提供更大的扭矩，這反過(guò)來(lái)又需要來(lái)自電池的更多電流。這種大電流負載會(huì )導致電源電壓短暫“下降”，這種下降可能會(huì )將電壓從標稱(chēng)值12V壓低至5V以下。這種減少可以持續數百毫秒。一旦發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)，電壓就會(huì )恢復到其標稱(chēng)值。熱啟動(dòng)的電壓曲線(xiàn)類(lèi)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(chē)的常見(jiàn)功能，在紅綠燈處等待或交通擁堵時(shí)，發(fā)動(dòng)機會(huì )短暫關(guān)閉。這種頻繁的啟停會(huì )導致電池電壓下降，并具有與起動(dòng)類(lèi)似的瞬態(tài)行為。因此，USB充電器設計應在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內處理高輸入電壓以及拋負載事件。
高壓環(huán)境和靜電放電要求
D+/D- 數據引腳支持 USB 中的高速通信。這些引腳由微控制器 IC 或供電 （PD） 控制器驅動(dòng)，其工作額定電壓為 3.3V/5.5V。USB 電纜和插座上的數據引腳暴露在高壓環(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 21V。為了保護低壓微控制器，數據引腳應用高壓FET隔離。類(lèi)似的條件和要求也適用于 CC 引腳。還應通過(guò)實(shí)施汽車(chē)級ESD保護（如符合IEC 61000-4-2和ISO 10605的±15kV空氣/±8kV接觸）來(lái)保護這些引腳免受ESD事件的影響。隔離高壓FET和ESD結構的設計應使通信眼圖不會(huì )損壞。在汽車(chē)應用中，插座側 USB 端口引腳分別稱(chēng)為 HVD+、HVD、HVCC1 和 HVCC2，分別表示 D+、D-、CC1 和 CC2。
MAX25432/MAX25430
MAX25432集成了汽車(chē)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5A，適用于USB PD應用。
MAX25432/MAX25430通過(guò)實(shí)現熱關(guān)斷，解決了密封的塑料外殼、氣流受限甚至沒(méi)有氣流引起的高溫問(wèn)題。熱關(guān)斷保護限制了器件在強制關(guān)斷前允許達到的溫度。如果芯片溫度超過(guò) +165°C，器件將關(guān)斷并要求其冷卻。一旦設備冷卻 15°C，設備就會(huì )再次自動(dòng)啟用。熱過(guò)載可在設備過(guò)熱時(shí)保護設備。
通過(guò)實(shí)施壓降補償來(lái)解決后排乘客座椅中由于長(cháng)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換器的內部反饋模塊。MAX25432/MAX25430補償壓降可達516m？來(lái)自從 OUT 引腳到用戶(hù)電纜的寄生電阻。這包括但不限于 USB 固定電纜、PCB 走線(xiàn)和內聯(lián)連接器。電纜補償設計用于高達 5A 的恒壓區域。電纜補償在進(jìn)入MAX25432的PPS限流區域時(shí)保持工作狀態(tài)。
通過(guò)實(shí)施檢測和控制方案，可以避免通過(guò)12V點(diǎn)煙器端口造成電纜屏蔽短路造成的損壞。當存在 Type-C 附件并且電纜屏蔽層接觸 12V 端口時(shí)，大浪涌電流流過(guò)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(guò)檢測引腳（SHLD_SNS）進(jìn)行檢測。當檢測電壓超過(guò)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，FET關(guān)閉并故障情況。
MAX25432/MAX25430設計用于4.5V至36V （40V拋負載）輸入電壓，允許在“熱啟動(dòng)”和啟停條件下工作。設計人員必須考慮與輸入保險絲相關(guān)的電流限制。
MAX25432/MAX25430為USB PD或TCPM控制器提供高壓保護，使其免受插座或固定電纜事件的影響。在數據和 CC 引腳上實(shí)現了 24V 直流保護。高壓D+/D-引腳（HVD+/HVD-）和CC引腳（HVCC1/HVCC2）受到監控和保護，以應對過(guò)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(chē)級ESD保護，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。MAX25410為數據和CC引腳的專(zhuān)用端口保護器。 |
