為車輛帶來下一代USB供電

隨著便攜式電子產(chǎn)品的廣泛采用和使用，用戶能夠在駕駛時在汽車中為設(shè)備充電變得越來越重要。USB的供電功能使設(shè)備充電對用戶來說非常方便。此外，USB的高數(shù)據(jù)速率使下一代信息娛樂系統(tǒng)能夠支持廣泛的車載功能，例如音頻播放，屏幕和應(yīng)用程序共享，數(shù)據(jù)連接等。

傳統(tǒng)的USB Type-A連接器已經(jīng)在所有主要汽車原始設(shè)備制造商的型號中提供，提供高達(dá)7.5 W的功率能力（5 V時高達(dá)1.5 A的電流）。然而，隨著 USB Type-C 連接器在 PC、智能手機和其他便攜式電子設(shè)備中的迅速采用，USB Type-A 正迅速成為傳統(tǒng)連接器：USB Type-C 半導(dǎo)體市場預(yù)計將在 2022 年達(dá)到 9 億以上（來源：Gartner 2018 和賽普拉斯估計）。

USB Type-C 連接器提供比 USB Type-A 連接器更緊湊的外形，具有通用連接、可逆插頭方向和可逆電纜方向的額外優(yōu)勢。它還支持更高的功率輸出，高達(dá) 100 W（20 V 時高達(dá) 5 A）。能夠提供比 7.5 W 大得多的功率，從而實現(xiàn)引人注目的新使用模式，包括更快的充電速度以及同時為汽車中越來越多的有源設(shè)備（包括平板電腦、筆記本電腦甚至電動剃須刀）充電的能力。

然而，在車輛中實現(xiàn)具有下一代供電功能的USB Type-C不僅僅涉及增加端口的電壓和電流。它還需要一種不同于基于 USB 的商品級和消費級產(chǎn)品的典型設(shè)計方法。本文探討了如何在車輛中使用 USB、USB Type-C 和供電控制器所需的功能、互操作性影響以及使用 USB Type-C 進(jìn)行設(shè)計時要考慮的關(guān)鍵因素。

電力輸送的重要性

我們世界的快節(jié)奏意味著我們需要能夠更快、更頻繁地為設(shè)備充電。例如，在 100 W 的功率輸出下，銷售人員可以在會議之間的 15 分鐘車程內(nèi)為筆記本電腦和手機充電。同樣，父母可以確信他們的手機 - 以及孩子的平板電腦 - 不會在長途旅行中耗盡電量。

更高的功率輸出是車載USB的關(guān)鍵。當(dāng)然，用戶可以使用USB Type-C到Type-A適配器使用傳統(tǒng)端口為新手機充電。但是，他們不會獲得USB Type-C的全部好處。相反，他們的下一代手機能夠快速充電，將限制在USB Type-A提供的最大7.5 W。顯然，全功率輸送的可用性將在客戶滿意度和區(qū)分車型方面發(fā)揮重要作用。

汽車OEM不太可能需要為車輛中的每個USB Type-C端口提供完整的100 W。為了在不顯著影響充電時間或可靠性的情況下降低成本，可以在端口之間共享單個 100 W 電源，稱為動態(tài)負(fù)載分配。例如，USB Power Delivery 控制器和固件中的智能可以將其中一個 USB Type-C 端口的功率降至 60 W，因此當(dāng)設(shè)備插入時，它可以為第二個端口提供 40 W。

USB C 型和供電控制器

為了處理USB Type-C和PD協(xié)議的復(fù)雜性，這些控制器將嵌入式微處理器與PD控制器邏輯集成在一起。通常，此微處理器的固件將由控制器制造商提供，可以是可下載文件，也可以是由開發(fā)環(huán)境生成。

如果 OEM 希望在車輛的長使用壽命內(nèi)提供強大的解決方案，那么獲得 USB 認(rèn)證只是最低要求?？刂破鬟€應(yīng)由經(jīng)過現(xiàn)場驗證的成熟軟件堆棧提供支持，以便USB子系統(tǒng)可靠。此外，互操作性至關(guān)重要。僅僅因為兩個設(shè)備符合USB規(guī)范并不一定意味著它們可以一起工作。

互操作性在汽車應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用，因為互操作性差會對用戶滿意度產(chǎn)生負(fù)面影響。USB端口已經(jīng)發(fā)展成為汽車的一項備受矚目的功能，在充電，播放音樂和與智能手機交互方面承擔(dān)著越來越多的責(zé)任。在購買車輛時，人們通常會更了解他們連接手機和播放音樂的難易程度，而不是發(fā)動機的運行情況。

由于使用壽命延長，車輛不僅需要能夠與當(dāng)今幾乎所有可用的智能手機、平板電腦和筆記本電腦進(jìn)行互操作，還需要能夠與未來幾年發(fā)布的智能手機、平板電腦和筆記本電腦進(jìn)行互操作。當(dāng)您考慮到典型的智能手機每兩年更換一次時，互操作性就更加重要。

此外，USB供電標(biāo)準(zhǔn)可能會隨著時間的推移而發(fā)展，就像許多標(biāo)準(zhǔn)一樣。例如，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)支持具有可編程電源 （PPS） 支持的供電 （PD） 3.0 和快速充電 （QC） 4.0。如果這些規(guī)格中的任何一個發(fā)生變化——事實上，USB Type-C和PD規(guī)格都在不斷變化——車輛可能無法完全支持推向市場的新設(shè)備。

實現(xiàn)強大的互操作性的唯一方法是通過可編程USB控制器。使用可編程控制器，可以升級USB供電堆棧，以便與新設(shè)備進(jìn)行互操作。由于汽車的許多部件都使用軟件，駕駛員開始接受軟件升級是標(biāo)準(zhǔn)做法。通常，這些升級對車主是透明的，因為技術(shù)人員通常在車輛被送去維修時從固件升級開始。

控制器具有嵌入式微處理器的事實并不一定意味著它支持可編程性。例如，固定功能的USB控制器不需要編程，并且可以以較低的成本獲得?；蛘?，可以使用可配置的控制器，該控制器提供有限數(shù)量的配置選項預(yù)編程到控制器中。

固定功能和可配置控制器非常適合消費電子設(shè)備（即USB鼠標(biāo)）等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，產(chǎn)品的使用壽命預(yù)計最多只有幾年，并且產(chǎn)品只需要與一組有限且定義明確的其他設(shè)備（即PC和筆記本電腦）進(jìn)行互操作。但是，固定功能的 USB 控制器只能為有限數(shù)量的設(shè)備提供最佳質(zhì)量。同樣，如果可配置控制器上的可用設(shè)置與用戶擁有的特定設(shè)備不匹配，則用戶體驗的質(zhì)量將下降。像這樣的互操作性問題只會隨著規(guī)范的變化而變得更加普遍。

相比之下，可編程 USB 控制器可以讓開發(fā)人員完全訪問控制器的功能，從而最大限度地提高跨設(shè)備和用例的質(zhì)量。使用反饋，控制器可以動態(tài)調(diào)整和調(diào)整其設(shè)置，以優(yōu)化特定設(shè)備的性能。此外，如果引入新標(biāo)準(zhǔn)或出現(xiàn)不可預(yù)見的問題，USB控制器足夠靈活，可以通過固件升級來解決這些問題。這使汽車原始設(shè)備制造商能夠確保在車輛的整個生命周期內(nèi)保持互操作性、質(zhì)量和可靠性。

需要注意的是，開發(fā)人員無需直接對控制器進(jìn)行編程即可訪問其全部功能。開發(fā)人員可以使用高級開發(fā)工具來定義控制器的運行方式，而不是編寫固件。然后，這些工具自動生成相應(yīng)的固件。這些工具還簡化了更新控制器的過程。

一些 USB 控制器制造商還承擔(dān)管理與基于 USB 的新設(shè)備的互操作性以及適應(yīng)規(guī)范更改的任務(wù)。這使汽車原始設(shè)備制造商不必投入工程資源來自己執(zhí)行這些任務(wù)。

事實是，汽車USB控制器不是商品?？紤]到當(dāng) USB 鼠標(biāo)停止工作時，只需不到 10 美元即可更換。如果汽車中的USB端口停止工作，則可能需要昂貴的保修維修費用。因此，用于車輛的USB控制器必須滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)量必須遠(yuǎn)高于消費品。用于汽車應(yīng)用的電子設(shè)備必須能夠承受更熱的工作溫度。最后，汽車組件的使用壽命需要比傳統(tǒng)消費電子應(yīng)用更長;也就是說，商用控制器可能只在短時間內(nèi)可用，而不是汽車OEM所需的10+年。

集成

設(shè)計具有更高功率輸出的USB Type-C子系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護(hù)以及高壓柵極驅(qū)動器。還需要電纜補償，以確保車輛中保持長電纜上的信號質(zhì)量。為了在車輛通常受限和環(huán)境極端的工作條件下支持可靠運行，必須基于溫度的功率節(jié)流以防止過熱和損壞。此外，OEM廠商希望在過渡到USB Type-C期間能夠支持傳統(tǒng)的USB Type-A設(shè)備。

電路保護(hù)：由于USB端口暴露在現(xiàn)實世界中，USB電路需要保護(hù)免受許多電氣事件的影響。最常見的一種是靜電放電（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四處走動或摩擦地毯會積聚電荷。如果他們觸摸暴露的USB端口，它們可能會破壞車內(nèi)難以維修且昂貴的敏感電子設(shè)備。

為了防止ESD，系統(tǒng)需要接地到屏蔽接地，以便能量可以安全地耗散。理想情況下，控制器具有集成的ESD保護(hù)。8 KV 觸點和 15 KV 空氣放電保護(hù)通常足以保護(hù)控制器免受 ESD 事件的影響?？梢栽?a target="_blank">PCB板上添加額外的ESD保護(hù)二極管，以進(jìn)一步增強保護(hù)。

USB 端口還需要防止意外過壓 （OV） 和過流 （OC） 事件。在設(shè)備充電期間，可能會發(fā)生 OV 和 OC 事件的常見實例。為了啟動充電，設(shè)備和供電系統(tǒng)商定要使用的電流和電壓。但是，如果系統(tǒng)開始提供錯誤的電壓或電流，則可以觸發(fā)過壓保護(hù)（OVP）或過流保護(hù)（OCP）電路來保護(hù)器件。

短保護(hù)也是必要的。當(dāng)電纜以一定角度拉出時，Vbus引腳可能會暫時短路到其中一個數(shù)字引腳。鑒于Vbus最高可達(dá)20 V，數(shù)字引腳容限為5 V，如此短路可能會損壞受影響的端口。與USB Type-A相比，USB Type-C端口的短保護(hù)更為重要。這是因為USB Type-C連接器將22個引腳（而Type-A為9個引腳）安裝到更小的外形中，從而增加了Vbus短路的機會。

理想情況下，短路保護(hù)集成在USB控制器中。請注意，短路保護(hù)是可復(fù)位的，因此在短路時不會損壞控制器。相反，控制器會關(guān)閉以防止短路。然后可以重置它以恢復(fù)端口，使短暫事件只是一個暫時且可修復(fù)的問題，而不是導(dǎo)致店內(nèi)維修。

高壓柵極驅(qū)動器：為了支持向后兼容性，USB Type-C 連接器默認(rèn)為 5 V。一旦確定了供電水平，控制器可能需要從5 V FET切換到20 V FET，以支持更高的功率輸出。如果此功能未集成到控制器中，則需要額外的電路來驅(qū)動在 Vbus 上提供 20V 電壓所需的更高功率 FET。

電纜補償：為方便起見，USB 端口可能位于整個汽車中，例如前排主機、后排座椅之間的中央儲物箱和手套箱。對于不僅僅支持供電（即數(shù)據(jù)功能）的USB端口，USB控制器很可能是信息娛樂系統(tǒng)的一部分。要將儲物箱中的端口物理連接到信息娛樂系統(tǒng)，可能需要長達(dá) 10 英尺的 USB 電纜。使用如此長的電纜，將出現(xiàn)顯著的壓降，從而對信號質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了將信號質(zhì)量保持在可靠的工作范圍內(nèi)，控制器可以采用補償。簡單來說，控制器中的固件調(diào)整輸出電壓以抵消電纜長度上的壓降。這種補償可以根據(jù)所用電纜的長度作為固定金額實施?；蛘?，控制器可以通過定期監(jiān)控接收到的信號并修改補償調(diào)整來動態(tài)補償壓降。

基于溫度的功率節(jié)流：實施USB Type-C的挑戰(zhàn)之一是處理與提供高達(dá)100 W的功率相關(guān)的額外散熱。 過熱會導(dǎo)致許多問題，包括引發(fā)火災(zāi)和/或損壞正在充電的設(shè)備。附近對熱敏感的組件，如信息娛樂或?qū)Ш较到y(tǒng)電子設(shè)備，也可能受到影響。過度散熱甚至可能損壞USB端口本身，需要昂貴的服務(wù)或保修電話進(jìn)行維修。

基于溫度的功率節(jié)流是防止過熱的有效方法。當(dāng)接近熱閾值時，位于敏感組件旁邊的熱傳感器會向控制器發(fā)出警報。然后，控制器可以降低輸送的功率。功率越小，熱量就會越少，系統(tǒng)就可以冷卻了。同時，連接的設(shè)備仍然可以充電，只是速度較慢。這種安全功能需要與控制器的微處理器集成，并且可以以對用戶透明的方式實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的USB Type-A支持：雖然新設(shè)備將具有USB Type-C連接器，但仍會有數(shù)十億臺設(shè)備具有USB Type-A連接器。汽車原始設(shè)備制造商將需要提供USB Type-A端口來支持這些傳統(tǒng)設(shè)備?？刂破骺梢酝瑫r支持 A 型和 C 型端口，而不是實現(xiàn)兩個獨立的 USB 子系統(tǒng)。這些集成控制器簡化了系統(tǒng)設(shè)計，同時最大限度地降低了總 BOM 成本。

實現(xiàn)這些功能對于確保電源可靠性是必要的，并且可能會大大增加車輛內(nèi)USB Type-C和供電子系統(tǒng)的成本和占用空間。汽車市場的USB控制器旨在集成這些功能和其他功能。這可確保組件具有汽車級，可以很好地協(xié)同工作，降低成本并簡化設(shè)計。減少必須組裝的組件數(shù)量還可以通過減少故障點的數(shù)量來提高可靠性。

賽普拉斯一直是每一代USB技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。借助 EZ-PD USB-C CCG3P3 控制器，汽車 OEM 可以為其客戶帶來供電 3.0 和快速充電 4.0 的全部優(yōu)勢。CCG3PA 評估套件提供設(shè)計 USB Type-C 電源適配器/充電器和移動電源所需的所有支持，包括固件生成。

USB供電正迅速成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)功能。為了保持與下一代便攜式設(shè)備的互操作性，汽車需要支持USB Type-C連接器。從USB Type-A到USB Type-C的過渡將引入新功能，包括更快的充電速度。為了在車輛的整個生命周期內(nèi)保持質(zhì)量和互操作性，設(shè)計人員需要一個足夠靈活的可編程控制器，以支持USB規(guī)范的變化，并根據(jù)這些規(guī)范與未來的設(shè)備進(jìn)行互操作。通過將關(guān)鍵功能集成到控制器中以保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備，OEM 可以確?？煽啃裕瑫r最大限度地降低系統(tǒng)成本。

審核編輯：郭婷