汽車(chē)USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩健的數據線(xiàn)保護

簡(jiǎn)介

USB充電端口已成為現代車(chē)輛信息娛樂(lè )系統的重要組成部分。乘客越來(lái)越習慣于通過(guò)車(chē)輛的電氣系統來(lái)為智能手機（或其他便攜式設備）充電，并反過(guò)來(lái)利用這些設備來(lái)豐富車(chē)輛信息和娛樂(lè )功能。為了同時(shí)支持電源和數據能力，并且適應不斷快速變化的便攜式設備市場(chǎng)，USB充電端口必須滿(mǎn)足與電源、數據傳輸和魯棒性相關(guān)的各種系統要求，即使面對現實(shí)中的種種危險情況。

便攜式設備電池充電——包括支持廣泛的設備充電協(xié)議的能力，例如USB BC 1.2充電下行端口(CDP)、專(zhuān)用充電端口(DCP)、標準下行端口(SDP)和各種常見(jiàn)專(zhuān)有協(xié)議——僅僅是對USB充電端口的眾多要求中的一部分。其他要求包括維護高速USB數據傳輸的信號完整性，以及保護USB主機免受汽車(chē)環(huán)境中常見(jiàn)危險狀況的影響。此外，小尺寸解決方案和低電磁輻射是滿(mǎn)足日益復雜的汽車(chē)電子需求的重要要求。本文演示了一種滿(mǎn)足汽車(chē)環(huán)境中現代USB充電端口要求的解決方案，包括設計示例。

汽車(chē)USB電源系統概述

圖1顯示了典型汽車(chē)USB充電器系統的框圖，其中開(kāi)關(guān)變換器從電池產(chǎn)生5 V電壓為VBUS供電。此處顯示的USB充電端口仿真器和功率開(kāi)關(guān)IC具有三個(gè)主要功能。首先，USB充電端口仿真器確定所連接設備的最佳充電電流，從而通過(guò)充電端口模式（如USB BC 1.2 CDP、DCP和供應商專(zhuān)有充電器仿真協(xié)議等）實(shí)現快速充電。其次，USB功率開(kāi)關(guān)用作限流器和開(kāi)關(guān)，可檢測和限制總線(xiàn)電流。最后，端口控制器支持所連接設備與USB主機之間進(jìn)行USB 2.0高速數據傳輸。

圖1 汽車(chē)USB充電器框圖

由于USB端口處于惡劣的汽車(chē)環(huán)境中，因此必須對敏感的USB電路加以保護，使其免受各種現實(shí)危害的影響，例如插座的靜電放電(ESD)事件和線(xiàn)纜故障事件，這些事件可能會(huì )使受影響的線(xiàn)路遭受遠超過(guò)其正常工作值的電壓。

圖2顯示了一個(gè)汽車(chē)USB電源系統的簡(jiǎn)化框圖，該系統將許多電源、端口和保護功能結合到一個(gè)IC中。在本例中，LT8698S將開(kāi)關(guān)變換器和功率開(kāi)關(guān)的功能集成到4mm×6mm的封裝中，同時(shí)提供能抵御ESD事件和線(xiàn)纜故障的強大數據線(xiàn)保護。

圖示的集成充電器解決方案包含了在USB端口和便攜式設備之間獨立執行USB BC 1.2 CDP協(xié)商序列的所有必需硬件，使得CDP兼容設備能夠從VBUS汲取高達1.5 A的電流，同時(shí)能與主機進(jìn)行高速通信。

線(xiàn)纜壓降補償

當USB插座與控制器的物理距離較遠時(shí)，例如USB插座位于車(chē)輛后部，而USB主機位于儀表板中，那么線(xiàn)纜壓降補償可使VBUS軌保持精確的5 V穩壓狀態(tài)。LT8698S具有可編程線(xiàn)纜壓降補償功能，可在USB插座上執行出色的調節，而無(wú)需額外的開(kāi)爾文檢測線(xiàn)路。

圖3顯示了線(xiàn)纜壓降補償的工作原理。OUT/ISP和BUS/ISN引腳之間連接一個(gè)檢測電阻RSEN，該電阻串聯(lián)在穩壓器輸出和負載之間。LT8698S在其RCBL引腳上通過(guò)RCBL接地電阻產(chǎn)生46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL的電流源。此電流與通過(guò)連接在穩壓器輸出和USB5V引腳之間的RCDC電阻流入USB5V引腳的電流相同。這會(huì )在RCDC電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)高于5 V USB5V反饋引腳的電壓偏移，其與RCDC/RCBL電阻比成比例。結果，LT8698S根據負載電流將BUS/ISN引腳調節到一個(gè)高于負載目標5V的點(diǎn)（最大限值為6.05V），以維持插座VBUS引腳的精確調節。

線(xiàn)纜壓降補償消除了從穩壓器連接額外的一對開(kāi)爾文檢測線(xiàn)路到遠端負載的需要，但要求系統設計人員知道線(xiàn)纜電阻RCABLE，LT8698S不會(huì )檢測此值。設置線(xiàn)纜壓降補償的元件可以利用下式選擇：RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE。線(xiàn)纜電阻會(huì )隨溫度而變化，要在很寬的溫度范圍內獲得更好的整體輸出電壓精度，可以添加一個(gè)負溫度系數(NTC)電阻作為RCBL的一部分，使線(xiàn)纜壓降補償隨溫度而變化。

圖2 圍繞單IC USB控制器解決方案構建的汽車(chē)USB電源系統的簡(jiǎn)化框圖

圖3 線(xiàn)纜壓降補償工作原理

圖4 LT8698S/LT8698S-1的強大保護功能

針對汽車(chē)環(huán)境提供強大保護

汽車(chē)環(huán)境存在多種危害，為此必須保護USB主機。這些危害包括線(xiàn)纜故障導致數據線(xiàn)承受電池電壓或接地，以及USB插座處的大ESD沖擊。圖4顯示了如何保護USB主機免受這些危害影響。

LT8698S的HD+和HD–引腳可承受高達20 VDC，并阻止高達8 kV的接觸放電和15 kV的空氣放電IEC 61000-4-2 ESD事件，同時(shí)也能保護主機免受這些惡劣狀況的影響。此外，USB5V、OUT/ISP和BUS/ISN引腳可承受輸出電壓故障，包括高達42 V的直流電壓。發(fā)生輸出故障時(shí)，閂鎖和自動(dòng)重試功能可精確限制平均輸出電流。

雖然許多USB端口控制器IC需要數據線(xiàn)上有外部鉗位二極管或電容來(lái)提供ESD保護（這會(huì )增加成本和材料，同時(shí)可能降低信號完整性），但LT8698S不需要。

數據線(xiàn)開(kāi)關(guān)不僅能夠承受前面所說(shuō)的直流故障和ESD事件，而且有助于實(shí)現出色的信號完整性。具體說(shuō)來(lái)，HD+和HD–引腳的–3 dB帶寬為480 MHz（典型值），這已經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測試。圖5顯示了根據USB 2.0規范在測試平面2的演示板上測得的高速傳輸眼圖。該圖顯示其符合USB模板1、測試平面2限值，并且有充足的裕量。

圖5 在演示板上測得的高速USB 2.0眼圖。所示為模板1要求

兼容并支持廣泛的充電器特性

本例中使用的控制器IC與多種USB連接器類(lèi)型和充電器特性兼容，如表1所示。我們來(lái)看一下單個(gè)控制器在USB Type-C 5 V、3 A解決方案(15 W)中如何工作。

圖6顯示了具有線(xiàn)纜壓降補償的USB 5 V、3 A VBUS穩壓器的原理圖。此電路選擇8 mΩ的RSEN電阻值來(lái)支持高達3 A的輸出電流，SYNC/MODE引腳接地以使能跳脈沖工作模式，降低輕載電流時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率和靜態(tài)電流。

LT8698S還支持USB BC 1.2 DCP模式，該模式可提供高達1.5 A的充電電流，支持大電流充電能力。當用作DCP端口時(shí)，D+和D–線(xiàn)路短接，沒(méi)有數據傳輸。

許多便攜式設備制造商開(kāi)發(fā)了專(zhuān)有充電器協(xié)議。同樣的，這些廠(chǎng)商專(zhuān)有的充電器協(xié)議以及對應的最大充電電流（如2.0 A、2.4 A、2.1 A和1.0 A）也受支持。主機微控制器可以通過(guò)控制三個(gè)SEL引腳來(lái)實(shí)現這些充電器協(xié)議。

圖7顯示了2.4 A/1.5 A USB充電器的原理圖。在此應用中，微控制器利用LT8698S STATUS引腳和IMON電流監控器提供的信息，通過(guò)控制SEL1-3輸入引腳來(lái)選擇所需的充電器協(xié)議。這樣，微控制器就能優(yōu)化便攜式設備的充電特性，從而以盡可能大的電流安全充電。

表1 LT8698S/LT8698S-1與多種USB連接器類(lèi)型、充電器協(xié)議和數據接口的兼容性

圖6 5 V、3 A、USB type-C應用

圖7 帶電流監控器的2.4 A/1.5 A自動(dòng)協(xié)議檢測充電器

EMI解決方案

汽車(chē)電子系統電源的一項關(guān)鍵要求是低EMI，通常需要滿(mǎn)足CISPR 25 5類(lèi)排放標準。LT8698S采用Silent Switcher? 2技術(shù)進(jìn)行設計，使得USB電源能夠滿(mǎn)足這些嚴格的汽車(chē)EMI標準，而不會(huì )犧牲解決方案的尺寸、效率和魯棒性。

Silent Switcher 2架構在LQFN封裝內部集成了旁路電容，以將EMI降至最低。旁路電容的集成簡(jiǎn)化了電路板設計，減少了整體解決方案的尺寸，同時(shí)盡可能地降低了PCB布局對EMI性能的影響。LT8698S-1不含這些內部旁路電容，其他方面與LT8698S完全相同。通過(guò)向SYNC/MODE引腳施加高于3.0 V的直流電壓，這兩款器件便都能提供可選的展頻調制。圖8顯示了LT8698S在典型應用條件下的輻射EMI性能。

LT8698S和LT8698S-1能以300 kHz至3 MHz的可程式化和可同步開(kāi)關(guān)頻率工作。較高開(kāi)關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值，以減小整體解決方案的尺寸。圖9顯示，即使在2 MHz的較高開(kāi)關(guān)頻率下，這種12 V至5 V USB解決方案也能實(shí)現93%的效率。

圖8 輻射EMI性能（CISPR 25電磁輻射干擾，使用峰值檢波器，5類(lèi)峰值限制）

圖9 5 V USB解決方案的效率和功率損耗曲線(xiàn)

結論

USB充電端口是現代車(chē)輛信息娛樂(lè )系統的重要組成部分，面對汽車(chē)環(huán)境中的各種現實(shí)危險事件，必須在電源、數據傳輸支持和魯棒性方面應對各種系統挑戰。本文介紹的采用LT8698S USB充電器IC的示例解決了這些挑戰。它們支持各種便攜式設備充電器協(xié)議，并能為USB type-C充電應用提供高達15 W的輸出功率。此外，它們還能保護USB主機免受潛在的危險情況影響，例如線(xiàn)纜故障和嚴重ESD事件。LT8698S在提供這種保護的同時(shí)，還能保持USB主機與便攜式設備之間高速USB數據傳輸所需的信號完整性。最后，Silent Switcher 2架構可在不犧牲效率和解決方案尺寸的情況下提供出色的EMI性能。

作者簡(jiǎn)介

Tao Tao是ADI公司的一名電源產(chǎn)品高級應用工程師，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。他目前負責提供降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器IC方面的應用支持。在此之前，Tao在Intersil Corporation公司從事集成電源模塊的開(kāi)發(fā)工作。Tao的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域包括高效高密度電源轉換器和穩壓器、電源轉換器的建模和控制、EMI抑制技術(shù)、電子封裝技術(shù)、PCB板設計，以及解決任何其他技術(shù)問(wèn)題。Tao擁有弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（位于弗吉尼亞州布萊克斯堡）電氣工程碩士學(xué)位。

Trevor Crane是ADI公司的一名高級設計工程師。他目前在A(yíng)DI電源事業(yè)部的Grass Valley分部工作，負責設計多通道降壓穩壓器。他于2004年畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。Trevor曾在凌力爾特擔任產(chǎn)品工程師和分立電源產(chǎn)品設計工程師。他已發(fā)布三款汽車(chē)USB降壓穩壓器。