了解汽車應用USB充電器設計面臨的挑戰(zhàn)

汽車信息娛樂市場的最新進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IC中。電池供電的便攜式設備的激增導致汽車中用于為設備電池充電的USB插座或端口的數(shù)量增加。本應用筆記描述了與汽車應用中USB充電器相關(guān)的設計和系統(tǒng)挑戰(zhàn)。

介紹

通用串行總線 （USB） 是一種接口標準，用于在外圍設備和現(xiàn)代計算設備之間提供電力和通信。它由一組公司于1991年開發(fā)，目前由USB互動論壇（USB-IF）監(jiān)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(shù)據(jù)和電源，包括但不限于鍵盤、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，已經(jīng)有以下標準 - USB1.x，USB2.x，USB3.x，最新的是USB4。x. 這些規(guī)格在通信速度和功能方面有所不同，總結(jié)如下：

USB1.x：數(shù)據(jù)速度高達 1.5Mbps 和 12Mbps。

USB2.x：數(shù)據(jù)速度為 1.5Mbps、12Mbps 和 480 Mbps。

USB3.x：數(shù)據(jù)速度為 5Gbps、10Gbps 和 20Gbps。

USB4.x：數(shù)據(jù)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，以指示可以達到的最大通信速度。這些連接器大致分為 A 型、B 型和 C 型，其中根據(jù)大小包含各種子類別。

市場上最新推出的是USB Type-C，它以在將連接器插入USB端口時無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單。在推出Type-C和USB 3.x及更進一步之前，Type-A和Type-B的USB連接器主要有4根線，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(shù)據(jù)。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，專用微控制器用于檢測和協(xié)議，為每個USB插座使用多個專用微控制器會增加解決方案的成本和尺寸。通過使用單個微控制器（USB Type-C策略管理器（TCPM））來解決這一挑戰(zhàn)，該控制器可作為主設備運行，以及多個USB Type-C端口控制器（TCPC），用于驅(qū)動作為從機運行的USB插座。TCPM 和 TCPC 使用 I 進行通信2C.

汽車應用的挑戰(zhàn)

汽車IC設計需要滿足汽車安全完整性等級（ASIL）標準，這是由ISO26262定義的風險分類系統(tǒng)。有四個ASIL級別，A到D，其中A代表最低程度，D代表最高程度的汽車危險。安全氣囊、動力轉(zhuǎn)向和防抱死制動器等關(guān)鍵系統(tǒng)均按照 ASIL-D 標準設計。USB在汽車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，因為它們不會直接影響關(guān)鍵系統(tǒng)。盡管如此，USB充電器的設計可以承受惡劣的汽車環(huán)境。以下部分討論各種挑戰(zhàn)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(zhuǎn)換電路和控制器封裝在一個緊密的塑料外殼中，信息娛樂主機后面的氣流有限。最近的應用需要為手機或筆記本電腦進行高速電池充電，這是通過使用高功率DC-DC轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)的。該功率轉(zhuǎn)換器設計為具有高效率和低封裝熱阻。例如，考慮一個效率為 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） 的 30°C，電源轉(zhuǎn)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IC設計為在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)工作。如果在外殼溫度變得危險的地方實施雙USB端口，則設計將變得具有挑戰(zhàn)性。通過使用非常高效的電源轉(zhuǎn)換器、散熱器或同時使用兩個端口時限制功率能力（1 x 100W、1 x 50W 或 2 x 50W）可以解決此問題。為了安全起見，電源轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)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 端口使用長電纜連接到電源轉(zhuǎn)換器的輸出。該電源轉(zhuǎn)換器存在于儀表板的信息娛樂主機中。充電時，在 USB 插座上的電纜末端觀察到壓降，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(nèi)（±5%）。在負載瞬變期間以及器件連接或斷開時，插座上觀察到較大的電壓擺幅。通過實施壓降補償可以解決這個問題，其中功率轉(zhuǎn)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(xiàn)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。這種方法用于補償由于PCB走線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，增加一個檢測電阻以檢測輸出電流會產(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。長電源線除了電阻外，還包括電感，這會導致快速負載瞬變期間的壓降很大。

圖4.電纜壓降補償

電纜接地短至點煙器端口

汽車的點煙器端口與電池連接12V，如圖5所示。通常的做法是，充電線的一端始終連接到 USB 插座，而另一端設備處于浮動或斷開連接狀態(tài)。電纜的設備端具有內(nèi)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 點煙器端口，導致 12V 電池和電纜接地之間短路。這種情況會導致流向消費類電纜和點煙器接線的電流損壞。USB 充電器端口側(cè)使用接地開關(guān)將接地斷開到擴展板的連接。檢測到電纜屏蔽短路到電池事件，并關(guān)閉屏蔽接地開關(guān)以保護 USB 充電器、電纜和點煙器。該接地開關(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保護驅(qū)動D+/D-引腳或CC1/CC2引腳的微控制器。

圖6.電纜屏蔽短至 12V 點煙器。

啟停和冷啟動期間頻繁的線路瞬變

用于高壓汽車應用中USB端口的DC-DC轉(zhuǎn)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，最高可達40V。當發(fā)動機在寒冷天氣中使用部分充電的電池啟動并且發(fā)動機油變得非常濃稠時，就會發(fā)生冷啟動。發(fā)動機起動需要啟動器提供更大的扭矩，這反過來又需要來自電池的更多電流。這種大電流負載會導致電源電壓短暫“下降”，這種下降可能會將電壓從標稱值12V壓低至5V以下。這種減少可以持續(xù)數(shù)百毫秒。一旦發(fā)動機啟動，電壓就會恢復到其標稱值。熱啟動的電壓曲線類似于具有不同電壓和時序的冷啟動。由冷啟動和熱啟動引起的電池電源電壓瞬態(tài)行為如圖7所示。自動啟停是較新汽車的常見功能，在紅綠燈處等待或交通擁堵時，發(fā)動機會短暫關(guān)閉。這種頻繁的啟停會導致電池電壓下降，并具有與起動類似的瞬態(tài)行為。因此，USB充電器設計應在車輛的整個生命周期內(nèi)處理高輸入電壓以及拋負載事件。

圖7.由于冷啟動和熱啟動而導致的電池電壓瞬變［1］。

高壓環(huán)境和靜電放電要求

D+/D- 數(shù)據(jù)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(qū)動，其工作絕對最大額定電壓為 3.3V/5.5V。USB 電纜和插座上的數(shù)據(jù)引腳暴露在高壓環(huán)境中，例如 12V 的點煙器端口，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(shù)據(jù)引腳應用高壓FET隔離。類似的條件和要求也適用于 CC 引腳。還應通過實施汽車級ESD保護（如符合IEC 61000-4-2和ISO 10605的±15kV空氣/±8kV接觸）來保護這些引腳免受ESD事件的影響。隔離高壓FET和ESD結(jié)構(gòu)的設計應使通信眼圖不會損壞。在汽車應用中，插座側(cè) USB 端口引腳分別稱為 HVD+、HVD、HVCC1 和 HVCC2，分別表示 D+、D-、CC1 和 CC2。

MAX25432/MAX25430

MAX25432集成了汽車級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通過實現(xiàn)熱關(guān)斷，解決了密封的塑料外殼、氣流受限甚至沒有氣流引起的高溫問題。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 +165°C，器件將關(guān)斷并要求其冷卻。一旦設備冷卻 15°C，設備就會再次自動啟用。熱過載可在設備過熱時保護設備。

通過實施壓降補償來解決后排乘客座椅中由于長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(zhuǎn)換器的內(nèi)部反饋模塊。MAX25432/MAX25430補償壓降可達516m？來自從 OUT 引腳到用戶電纜的寄生電阻。這包括但不限于 USB 固定電纜、PCB 走線和內(nèi)聯(lián)連接器。電纜補償設計用于高達 5A 的恒壓區(qū)域。電纜補償在進入MAX25432的PPS限流區(qū)域時保持工作狀態(tài)。

通過實施檢測和控制方案，可以避免通過12V點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，大浪涌電流流過接地隔離 FET 的 R德森接地。該浪涌電流在其兩端產(chǎn)生電壓，并通過檢測引腳（SHLD_SNS）進行檢測。當檢測電壓超過某個電壓閾值或斜率時，觸發(fā)故障檢測比較器。在去抖動期后，F(xiàn)ET關(guān)閉并報告故障情況。

MAX25432/MAX25430設計用于4.5V至36V （40V拋負載）輸入電壓，允許在“熱啟動”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(shù)據(jù)和 CC 引腳上實現(xiàn)了 24V 直流保護。高壓D+/D-引腳（HVD+/HVD-）和CC引腳（HVCC1/HVCC2）受到監(jiān)控和保護，以應對過壓情況，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） 進行 ESD 保護。MAX25410為數(shù)據(jù)和CC引腳的專用端口保護器。

審核編輯：郭婷