?5000字長(cháng)文解讀車(chē)載USB供電的方方面面

摘要：哪有白來(lái)的充電方便，都是工程師在幕后想了很多辦法。面向未來(lái)，不支持USB Type-C接口的汽車(chē)不要買(mǎi)。

隨著(zhù)便攜式電子設備的廣泛普及，用戶(hù)在開(kāi)車(chē)時(shí)為自己的設備充電變得越來(lái)越頻繁。USB供電功能讓設備充電變得極為便利。USB的高數據率也讓新一代信息娛樂(lè )系統支持豐富多樣的車(chē)載功能，如音頻播放、屏幕和應用共享，以及數據連接等等。

傳統USB Type-A接口已經(jīng)廣泛應用于汽車(chē)OEM廠(chǎng)商的各種車(chē)型，其供電能力最高為7.5W（5V電壓，最高1.5A電流）。隨著(zhù)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(chǎng)預計出貨量到2022年將超過(guò)9億片（來(lái)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(xiàn)纜插拔無(wú)方向性限制（Type-C線(xiàn)纜兩端插頭完全相同）。此外，它還能顯著(zhù)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(shí)現極富吸引力的新使用模式，可以快速充電，能夠同時(shí)為車(chē)內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(dòng)剃須刀（參見(jiàn)圖1）。

圖1.為各種設備充電所需的功率以及能夠滿(mǎn)足要求的USB規范。

要將具有新一代供電能力的USB Type-C接口植入汽車(chē)中，涉及的工作遠不止提高供電端口電壓和電流這么簡(jiǎn)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(chē)輛內使用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(shí)代的節奏在不斷加快，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分鐘內同時(shí)為筆記本電腦和手機充滿(mǎn)電。

提高供電能力是車(chē)載USB的關(guān)鍵。雖然用戶(hù)可以使用Type-A轉 USB-C的適配器，通過(guò)車(chē)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(hù)滿(mǎn)意度和車(chē)型差異化優(yōu)勢有著(zhù)重要的作用。

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商無(wú)需為車(chē)上的每一個(gè)USB Type-C端口提供全功率100W電力。為了在不嚴重影響充電時(shí)間或可靠性的前提下降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率，實(shí)現所謂的動(dòng)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(gè)設備插入時(shí)，USB PD控制器可進(jìn)行智能的分配，將一個(gè)USB Type-C端口的功率降低至60W，而第二個(gè)插入的設備可以獲得40W功率（參見(jiàn)圖2）。

圖2. 為降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率，即所謂的動(dòng)態(tài)負載共享。

A）單個(gè)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(gè)可下載文件，要么是由開(kāi)發(fā)環(huán)境直接生成。

汽車(chē)OEM廠(chǎng)商要在車(chē)輛的長(cháng)生命周期中提供高可靠的解決方案，通過(guò)USB認證只是最低要求?？刂破鲬玫匠墒斓能浖ＶС?，并通過(guò)市場(chǎng)檢驗，這樣才能保證USB子系統的可靠性。此外，互操作性也十分必要。因為兩個(gè)符合USB規范的設備也未必能一起工作。

互操作性在汽車(chē)應用中起著(zhù)重要的作用，互操作性差，會(huì )給用戶(hù)滿(mǎn)意度造成負面影響。USB端口已發(fā)展成為汽車(chē)的一項重大功能，從充電、音樂(lè )流媒體到智能手機交互，越來(lái)越多的功能使用USB端口。購買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，人們有時(shí)更關(guān)心是否能夠輕松地連接手機和播放音樂(lè )，而不是發(fā)動(dòng)機運轉有多良好。

汽車(chē)的使用壽命很長(cháng)，它們不僅需要與當今市場(chǎng)上幾乎每一種智能手機、平板電腦和筆記本電腦實(shí)現互操作，還需要與今后幾年推出的電子設備實(shí)現互操作?？紤]到普通智能手機每?jì)赡旮鼡Q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(huì )隨時(shí)間推移而演進(jìn)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。如果這些規范中的任意一種規范發(fā)生變化（實(shí)際上USB Type-C規范和PD規范一直處于變化中），汽車(chē)可能就不能完全兼容市場(chǎng)上的新型設備。

實(shí)現高可靠、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(jìn)行升級，使之能與最新設備實(shí)現互操作。因為汽車(chē)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(chē)主是透明的。因為當一輛車(chē)進(jìn)行維護保養時(shí)，技術(shù)人員一般會(huì )從升級固件開(kāi)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(xiāo)售價(jià)格也較低。作為替代品的可配置控制器，能提供數量有限的、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(lèi)電子設備（如USB鼠標）等應用。此類(lèi)應用的產(chǎn)品壽命最多只有幾年時(shí)間，而且產(chǎn)品交互簡(jiǎn)單，只需與數量有限、且明確定義的幾種設備進(jìn)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(kāi)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(guò)反饋，控制器能動(dòng)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(wèn)題的時(shí)候，通過(guò)固件升級，這種USB控制器足以靈活地解決這些問(wèn)題。這就有助于汽車(chē)OEM廠(chǎng)商在車(chē)輛的整個(gè)使用壽命中確?；ゲ僮?、質(zhì)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(kāi)發(fā)人員直接為控制器編程。開(kāi)發(fā)人員使用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具，就能定義控制器的各種工作模式。接著(zhù)，開(kāi)發(fā)工具能自動(dòng)生成正確的固件。這些工具也簡(jiǎn)化了更新控制器的過(guò)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(chē)上USB-C口提供升級用的固件，以應對規范的變化。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商也就沒(méi)有必要專(zhuān)門(mén)安排工程資源來(lái)自行從事這方面的工作。

車(chē)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(chē)載USB端口停止工作，則需要昂貴的質(zhì)保維修才能恢復。因此，車(chē)載USB控制器必須符合更高標準。良品率必須遠高于消費類(lèi)產(chǎn)品。汽車(chē)應用的電子設備必須能夠承受更高的工作溫度。汽車(chē)組件的保修年限遠遠長(cháng)于普通消費類(lèi)電子產(chǎn)品。例如，消費類(lèi)控制器的保修年限可能很短，而汽車(chē)OEM廠(chǎng)商要求的保修年限則超過(guò)10年。

保障車(chē)規級可用性的五項技術(shù)

設計擁有更大供電能力的USB Type-C子系統，主要挑戰之一是電源需要過(guò)壓、過(guò)流、ESD和短路保護以及高壓柵級驅動(dòng)器。此外，還需要線(xiàn)纜補償，以保障車(chē)上信號通過(guò)長(cháng)線(xiàn)纜時(shí)的信號質(zhì)量。汽車(chē)的內部空間往往很局促，且時(shí)常在惡劣的環(huán)境條件下工作，為了實(shí)現可靠運行，還需要加溫度控制，控制功率，以防過(guò)熱和損壞。此外，在向USB Type-C過(guò)渡的過(guò)程中，OEM廠(chǎng)商需要支持傳統的USB Type-A設備。

電路保護：在USB端口的現實(shí)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(jiàn)的就是靜電放電（ESD）。例如，乘客在塑料椅子上來(lái)回挪動(dòng)或摩擦地毯就會(huì )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(chē)內精密的電子設備，這些設備維修難度大，維修成本高。

為了防止ESD，系統需要與屏蔽地連接，這樣就能安全地耗散能量。理想的話(huà)，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(huì )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(jìn)一步增強保護。

USB端口還需要防范意外的過(guò)壓（OV）和過(guò)流（OC）情況。過(guò)壓和過(guò)流常發(fā)生在設備充電的過(guò)程中。在啟動(dòng)充電時(shí)，設備和供電系統要在電流和電壓上保持一致。然而，如果系統提供錯誤的電壓或電流，就需要觸發(fā)過(guò)壓保護（OVP）或過(guò)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(xiàn)纜按一定角度拉拽時(shí)，Vbus引腳可能與某一個(gè)數字引腳瞬間短路。Vbus的電壓可高達20V，而數字引腳僅能承受5V，這種短路會(huì )損壞相關(guān)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(gè)引腳（而Type-A為9個(gè)），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(shí)不會(huì )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(shí)的可恢復事件，不必召回車(chē)輛入店維修。如果沒(méi)有集成短路保護功能，控制器可能被燒毀，導致嚴重問(wèn)題。

高壓柵級驅動(dòng)：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(lái)驅動(dòng)更大功率的FET，以便為Vbus提供20V電壓。

線(xiàn)纜補償：為方便起見(jiàn)，USB端口可能布局在車(chē)內各處，比如中控臺、后座間的中央儲物盒和/或雜物箱內。對于不單用于供電的USB端口（如數據功能），USB控制器還很有可能用于信息娛樂(lè )系統。將儲物盒中的端口連接到信息娛樂(lè )系統可能需要長(cháng)達10英尺的USB線(xiàn)纜。使用如此長(cháng)的線(xiàn)纜可能造成嚴重的壓降，對信號質(zhì)量和可靠性造成不利影響。

為了保持長(cháng)線(xiàn)纜中的信號質(zhì)量處于可靠的工作范圍內，控制器可以施加補償。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制器內的固件可調節輸出電壓，以補償超長(cháng)線(xiàn)纜產(chǎn)生的壓差。這種補償可根據使用的線(xiàn)纜長(cháng)度采取固定數值，控制器也可以通過(guò)定期對接收到的信號進(jìn)行監控、修改補償調節量，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓降補償。

過(guò)溫功率控制：采用USB Type-C的另一挑戰是如何解決高達100W功率充電時(shí)產(chǎn)生大量熱的問(wèn)題。過(guò)熱可能造成一系列問(wèn)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(lè )系統或導航系統的電子設備，也可能受到不利影響。過(guò)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(guò)溫功率控制是防止過(guò)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(shí)會(huì )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，系統便可以冷卻下來(lái)。與此同時(shí)，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(hù)透明。

支持傳統的USB Type-A口：雖然新設備將采用USB Type-C接口，但是使用USB Type-A接口的設備仍有數十億之多。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商需要提供Type-A端口，為這些傳統設備提供支持。不必設計兩個(gè)單獨的USB子系統，現有的控制器能同時(shí)支持Type-A端口和Type-C端口（參見(jiàn)圖3）。這類(lèi)一體化控制器在簡(jiǎn)化系統設計的同時(shí)，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(shí)支持Type-C端口和Type-A端口，因此用戶(hù)既能連接Type-C端口設備并實(shí)現快速充電，也能連接他們的傳統Type-A端口設備并為其充電。

為了確保電源的可靠性，需要實(shí)現上述所有功能。這樣會(huì )顯著(zhù)增加車(chē)載USB Type-C與PD子系統的成本和空間占用。面向汽車(chē)市場(chǎng)的USB控制器將這些功能和其他功能集成在一起（參見(jiàn)圖4），確保全部組件都達到車(chē)規要求，可以很好地協(xié)同工作、降低成本、簡(jiǎn)化設計。減少需要裝配的元件數量還可以減少潛在的故障點(diǎn)，提高可靠性。

圖4. 面向汽車(chē)市場(chǎng)設計的USB Type-C控制器，比如這里顯示的賽普拉斯CCG3PA，通過(guò)集成必要組件，確保高可靠供電、降低成本、簡(jiǎn)化設計，同時(shí)在車(chē)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(shù)的領(lǐng)先供應商。汽車(chē)OEM廠(chǎng)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?jì)?yōu)勢提供給自己的客戶(hù)。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(zhù)USB PD迅速成為汽車(chē)的標配功能，能與新一代便攜式設備互操作成為關(guān)鍵。汽車(chē)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(chē)輛的整個(gè)使用壽命周期中保持高質(zhì)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規范變化、并與基于新規范的未來(lái)產(chǎn)品進(jìn)行互操作。通過(guò)將關(guān)鍵功能集成到控制器中，為內部電子設備提供保護，OEM廠(chǎng)商既能保障可靠性，也能最大限度地降低系統成本。