汽車中的USB Type-C電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和解決思路

最近幾年，越來越多的智能手機(jī)、筆記本電腦、平板等便攜式電子設(shè)備開始采用USB Type-C接口，它多樣化的功能使其逐漸取代了傳統(tǒng)的MicroUSB，成為主流接口。歐洲議會(huì)也曾通過決議，主張將歐洲范圍內(nèi)的智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備統(tǒng)一為USB Type-C接口，這預(yù)示著USB Type-C會(huì)在未來成為統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。而隨著大眾、奔馳、寶馬等歐洲傳統(tǒng)汽車品牌，以及特斯拉等新能源勢(shì)力的加入，USB Type-C接口也正在從消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品走向汽車應(yīng)用。與手機(jī)、電腦、充電寶和充電頭一樣，USB Type-C可為汽車帶來了最高達(dá)100W的充電功率。

無論是新能源汽車還是傳統(tǒng)汽車，車內(nèi)的電子電氣部件都占據(jù)著極大的比重，所以一款解決方案是否可以在非常小的板子上實(shí)現(xiàn)寬電壓范圍供電、大功率、高效率、低EMI，同時(shí)能夠在車用環(huán)境下實(shí)現(xiàn)良好的散熱對(duì)車用Type C系統(tǒng)來說就顯得十分重要。本文以ADI低EMI、4開關(guān)、降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器 LT8390/LT8390A為例，探討汽車中的USB Type-C電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和解決思路。LT8390A在2 MHz開關(guān)頻率時(shí)，它可提供5 V至15 V的輸出電壓（3 A時(shí)最高45 W），以通過汽車電池為USB Type -C設(shè)備供電。

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車用Type C供電挑戰(zhàn)之寬電壓范圍

汽車電池和類似的寬電壓范圍電源都是較為復(fù)雜的，它們需要提供保護(hù)且要求能夠高效的進(jìn)行降壓和升壓轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的降壓電路并不能滿足Type C系統(tǒng)的供電要求，這時(shí)就需要一個(gè)比較復(fù)雜的升降壓電路來完成Type C系統(tǒng)的供電要求。LT8390是一款同步、四開關(guān)降壓-升壓型DC/DC控制器，可以在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的情況下調(diào)節(jié)輸出電壓、輸入或輸出電流。該器件專有的峰值降壓/峰值升壓電流模式控制方案允許執(zhí)行可調(diào)和可同步的150kHz至650kHz固定頻率操作，或用于實(shí)現(xiàn)低EMI的內(nèi)部±15%三角擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制。LT8390具有4V至60V的輸入電壓范圍、0V至60V的輸出電壓能力，并可在工作區(qū)之間實(shí)現(xiàn)無縫低噪聲轉(zhuǎn)換，因而非常適合于汽車、工業(yè)、電信、甚至電池供電型系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)器、電池和超級(jí)電容器充電器應(yīng)用。

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車用Type C供電挑戰(zhàn)之高溫度

在汽車電子系統(tǒng)之中，溫度的管理一直是個(gè)挑戰(zhàn)，一般會(huì)要求系統(tǒng)能夠正常工作在-40°C ~ + 65°C的環(huán)境溫度之下。而機(jī)殼之內(nèi)的環(huán)境溫度還會(huì)有20°C左右的溫升，所以PCB板實(shí)際需要承受的最高環(huán)境溫度會(huì)高達(dá)+ 85°C或者更高。電源、CPU等模塊作為汽車電子系統(tǒng)的發(fā)熱大戶，更一步加劇了機(jī)殼內(nèi)的環(huán)境溫度，嚴(yán)苛的環(huán)境實(shí)際上已經(jīng)逼近很多芯片的耐溫極限了。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，必須規(guī)劃好熱管理策略以及設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的措施。下圖所示的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)典型的例子，支持VIN = 9V-36V、VOUT = 12V和IOUT= 25A，能夠?qū)崿F(xiàn)300W的功率輸出。在滿載情況下，所有模式——升壓、降壓和降壓-升壓——的效率都保持較高。這使得LT8390能夠在所有輸入條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。當(dāng)然，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候可以添加冷卻元件以提高功率能力。

另外，當(dāng)熱性能成為創(chuàng)建高功率穩(wěn)壓器系統(tǒng)的限制因素時(shí)，LT8390還能夠并聯(lián)運(yùn)行，以提高總輸出功率能力，同時(shí)在輸入電壓范圍內(nèi)保持可接受的工作溫度。即使在更高的輸出功率下，并聯(lián)LT8390系統(tǒng)也表現(xiàn)出與單相LT8390系統(tǒng)類似的熱性能，因?yàn)檩敵龉β屎蜔岷纳⒈环謸?dān)在兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間。在改善熱性能的同時(shí)，并聯(lián)LT8390系統(tǒng)還采用了失相驅(qū)動(dòng)，有效降低了系統(tǒng)的輸出紋波。

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車用Type C供電挑戰(zhàn)之低EMI

低EMI是汽車電子產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)要求。開關(guān)穩(wěn)壓器的EMI通常用EMI濾波器和電子屏蔽來緩解，但會(huì)增加穩(wěn)壓器的成本和尺寸。電源設(shè)計(jì)者也可以選擇開關(guān)頻率以避開一些EMI約束，但會(huì)嚴(yán)重限制電源設(shè)計(jì)者在效率和解決方案尺寸方面的選擇。為了減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，LT8390A具有多種獨(dú)特的降低EMI的特性，可實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換和低噪聲性能，從而簡化其在汽車系統(tǒng)中的實(shí)施。

LT8390A是一款獨(dú)特的2 MHz同步四開關(guān)降壓-升壓控制器，其他四開關(guān)控制器之間的顯著差異在于電感電流檢測(cè)電阻的位置。大多數(shù)四開關(guān)降壓-升壓控制器往往使用接地基準(zhǔn)電流檢測(cè)方案來獲得開關(guān)電流信息，而LT8390A將其電流檢測(cè)電阻與電感串聯(lián)。通過將檢測(cè)電阻與電感串聯(lián)，便可有效地將電阻從降壓和升壓熱環(huán)路中移除，從而縮小環(huán)路尺寸并改善EMI性能。

除了電感檢測(cè)電阻位置的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)外，LT8390A還內(nèi)置擴(kuò)頻調(diào)頻功能以進(jìn)一步降低控制器產(chǎn)生的EMI。此外，降壓和升壓功率開關(guān)的邊沿速率僅使用幾個(gè)分立元件來控制，以減緩MOSFET的導(dǎo)通，確保在降低功率開關(guān)的高頻EMI與溫升之間達(dá)成適當(dāng)?shù)钠胶?。憑借這些降低EMI的特性，滿足CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)所需的唯一濾波器由輸入和輸出上的小型鐵氧體濾波器提供，而不是大型鐵氧體外殼和粗笨的LC濾波器。

基于LT8390A的1平方英寸大小的高效率、低EMI USB Type-C電源解決方案

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總結(jié)

針對(duì)為連接設(shè)備供電的穩(wěn)壓器的新USB標(biāo)準(zhǔn)，USB Type-C支持通過增加穩(wěn)壓器可提供的輸出電壓范圍和電流輸送來實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸。便攜式和汽車電池供電的USB Type-C充電設(shè)備需要一種寬VIN/VOUT降壓-升壓穩(wěn)壓器，以便輸送高于或低于輸入電壓的總線電壓。ADI的4開關(guān)降壓-升壓控制器LT8390簡化了要求苛刻的工業(yè)和汽車電源設(shè)計(jì)，它的應(yīng)用幾乎不限于這些領(lǐng)域，因?yàn)樗哂斜姸嗵匦裕ㄔ谳^寬的輸出負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率、低EMI、緊湊的解決方案尺寸和極高的輸出功率能力，是新興的可再生能源和能量收集系統(tǒng)的理想選擇。

LT8390

四開關(guān)單電感器架構(gòu)允許 VIN高于、低于或等于 VOUT

同步開關(guān)：效率高達(dá) 98%

專有的峰值降壓峰值升壓電流模式

寬 VIN范圍：4V 至 60V

±1.5% 輸出電壓準(zhǔn)確度：1V ≤ VOUT≤ 60V

利用監(jiān)視器可實(shí)現(xiàn) ±3% 的輸入或輸出電流準(zhǔn)確度

擴(kuò)展頻譜頻率調(diào)制用于實(shí)現(xiàn)低 EMI

高端 PMOS 負(fù)載開關(guān)驅(qū)動(dòng)器

集成型自舉二極管

在降壓或升壓模式中沒有上管 MOSFET 刷新噪聲

可調(diào)和可同步頻率范圍：150kHz 至 650kHz

停機(jī)期間 VOUT與 VIN斷接

采用具裸露襯墊的 28 引腳 TSSOP 封裝和 28 引腳 QFN 封裝 (4mm x 5mm)

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