汽車USB Type-C電源解決方案

USB Type-C 是一種相對較新的高功率 USB 外圍設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，用于計算機和便攜式電子設(shè)備。USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)推動了 USB 供電規(guī)范的變化，允許從長期存在的 5 V USB 標(biāo)準(zhǔn)提高總線電壓（高達(dá) 20 V）和電流輸送能力（高達(dá) 5 A）。連接的 USB-C 設(shè)備可以相互識別并協(xié)商總線電壓（從默認(rèn)的 5 V USB 輸出到幾個更高的預(yù)設(shè)電壓階躍），以便在需要時實現(xiàn)更快的電池充電和更高的功率輸出，最高可達(dá) 100 W。

電池充電器中使用的簡單、緊湊的降壓穩(wěn)壓器和線性穩(wěn)壓器在 500 mA 至 2 A 時只需要 USB 5 V，不足以覆蓋 Type-C USB 電源的全部范圍。Type-C USB 供電的電壓范圍增加，即 5 V 至 20 V，需要的不僅僅是從 9 V 到 36 V（或 60 V）汽車電池或其他充電源的降壓轉(zhuǎn)換。需要一個能夠?qū)斎胫凛敵鲭妷哼M(jìn)行升壓和降壓的可調(diào)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

此外，對于高功率汽車USB充電器，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)支持10 A或更高的峰值開關(guān)電流額定值，并提供低EMI性能。能夠在AM無線電頻段之外設(shè)置開關(guān)頻率并保持較小的解決方案尺寸是廣受歡迎的功能。高壓單片轉(zhuǎn)換器（帶板載開關(guān)）無法在不燒毀的情況下維持如此高的峰值開關(guān)電流。

LT8390A是一款獨特的2 MHz同步4開關(guān)降壓-升壓控制器。在 2 MHz 開關(guān)頻率下，它可以提供 5 V 至 15 V 的輸出電壓（3 A 時高達(dá) 45 W），以通過汽車電池為連接的 USB-C 設(shè)備供電。這種高控制器開關(guān)頻率使解決方案尺寸小、帶寬高，EMI超出AM無線電頻段。擴頻頻率調(diào)制和低 EMI 電流檢測架構(gòu)均有助于 LT8390A 應(yīng)用通過嚴(yán)格的 CISPR 25 5 類汽車 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

高功率密度轉(zhuǎn)換：尺寸（和功率）、效率、熱量

在汽車或便攜式電子環(huán)境中運行的穩(wěn)壓器系統(tǒng)的設(shè)計受到電路所需空間以及工作期間產(chǎn)生的熱量的限制。這兩個因素決定了在給定設(shè)計約束范圍內(nèi)運行時可實現(xiàn)的功率水平上限。

提高設(shè)計的開關(guān)頻率允許使用更小的電感，這通常是寬輸入電壓4開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器設(shè)計中占板面積最大的元件。LT8390A的2 MHz開關(guān)頻率能力允許使用比150 kHz或400 kHz設(shè)計小得多的電感器尺寸。完整的設(shè)計如圖1所示。除了更小的電感外，該解決方案僅使用陶瓷輸出電容器，無需笨重的電解電容器。如圖1所示，該設(shè)計所需的所有元件（包括IC）都包含在一個1英寸見方的小尺寸內(nèi)。

圖1.高效、低 EMI USB Type-C 電源解決方案，適合 1“ 正方形。

圖2顯示了采用AEC認(rèn)證元件的45 W LT8390A解決方案。如圖3所示，該設(shè)計的最大溫度較環(huán)境溫度升高65°C。即使解決方案尺寸很小，LT8390A系統(tǒng)在提供45 W輸出的同時仍具有94%的峰值效率，并且對于產(chǎn)生的每個輸出電壓，在輸入范圍內(nèi)的效率偏差不到10%，如圖4所示。

圖2.這款LT8390A穩(wěn)壓器解決方案使用符合AEC標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET、磁性元件和電容器，在可選的5 V、9 V或15 V低EMI輸出下提供高達(dá)3 A的電流。

圖3.在產(chǎn)生45 W輸出功率的同時，該小型電路的最大溫升僅比環(huán)境溫度高65°C。

圖4.LT8390A 穩(wěn)壓器系統(tǒng)在由汽車 SLA 電池供電時產(chǎn)生的所有輸出電壓范圍內(nèi)仍保持在 94% 至 84% 的效率范圍內(nèi)。

低 EMI 適用于汽車應(yīng)用

LT8390A 具有幾個獨特的 EMI 抑制特性，可實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換和低噪聲性能，從而簡化了其在汽車系統(tǒng)中的實施。LT8390A 與其他 4 開關(guān)控制器之間的一個顯著區(qū)別是電感器電流檢測電阻器的位置。大多數(shù) 4 開關(guān)降壓-升壓型控制器傾向于使用以地為參考的電流檢測方案來獲取開關(guān)電流信息，而 LT8390A 則將其電流檢測電阻器與電感器串聯(lián)。通過將檢測電阻與電感串聯(lián)放置，可以有效地將其從降壓和升壓熱回路中移除，從而縮小環(huán)路尺寸并改善EMI性能。

除了電感器檢測電阻器放置的架構(gòu)優(yōu)勢外，LT8390A 還具有內(nèi)置擴頻頻率調(diào)制功能，以進(jìn)一步降低控制器產(chǎn)生的 EMI。此外，降壓和升壓電源開關(guān)的開關(guān)邊沿速率均得到控制，僅使用幾個分立元件來減緩MOSFET的導(dǎo)通，從而確保電源開關(guān)中高頻EMI降低和溫升的適當(dāng)平衡。憑借這些降低EMI的特性，滿足CISPR 25合規(guī)性所需的唯一濾波由輸入和輸出上的小型鐵氧體濾波器而不是大型鐵氧體外殼和笨重的LC濾波器處理。圖1所示的解決方案僅使用AEC-Q100元件設(shè)計。

無縫輸出電壓轉(zhuǎn)換

LT8390A 的輸出電壓可在不關(guān)斷轉(zhuǎn)換器的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，方法是使用邏輯電平信號來驅(qū)動 MOSFET，MOSFET 將電阻分壓器從輸出端調(diào)節(jié)以改變設(shè)定電壓。具有 GPIO 引腳的 USB PD 源控制器器件可與 LT8390A 系統(tǒng)結(jié)合使用，以促進(jìn)主機和 USB 連接器件之間的協(xié)商過程，并設(shè)置所需的總線電壓。

圖5顯示了LT8390A系統(tǒng)的輸出如何平穩(wěn)地從一個輸出電壓轉(zhuǎn)換到另一個輸出電壓。當(dāng)由12 V輸入電源供電時，每次轉(zhuǎn)換到增加的輸出電壓最多需要150 μs才能建立，從數(shù)字控制信號的上升沿開始測量。在輸出電壓的這些變化期間，降壓-升壓控制器會經(jīng)歷模式轉(zhuǎn)換——在降壓、升壓和降壓-升壓操作之間——具體取決于輸入與輸出電壓的關(guān)系。這些模式轉(zhuǎn)換以受控方式執(zhí)行，可防止輸出電壓過沖或下垂。

圖5.LT8390A系統(tǒng)的輸出在5 V、9 V和15 V輸出之間平滑轉(zhuǎn)換，同時保持向輸出的連續(xù)功率輸送。

擴展到 45 W 以上

要將輸出功率電平推高到45 W以上，需要在較低的開關(guān)頻率下工作，以減少開關(guān)損耗，否則可能會在此功率電平下對MOSFET產(chǎn)生熱應(yīng)力。作為LT8390A的替代產(chǎn)品，LT8390的工作頻率范圍為150 kHz至600 kHz，具有與LT8390A相同的功能集，可實現(xiàn)低EMI、高功率降壓-升壓設(shè)計。400 kHz LT8390系統(tǒng)采用更大的電感和輸出電容，可輕松從汽車電池輸入實現(xiàn)100 W的輸出功率，并具有可接受的溫升。圖 6 示出了 LT8390A 和 LT8390 產(chǎn)品線在各種電池供電輸入下的功率能力。

圖6.LT8390A 和 LT8390 涵蓋了用于 USB 供電的寬范圍輸出功率水平。

結(jié)論

用于為連接設(shè)備供電的穩(wěn)壓器的新USB標(biāo)準(zhǔn)通過增加穩(wěn)壓器可以提供的輸出電壓范圍和電流傳輸，允許更高的功率傳輸。便攜式和汽車電池供電的USB-C充電器設(shè)備需要寬V電壓在/V外降壓-升壓穩(wěn)壓器，用于提供高于或低于輸入電壓的總線電壓。LT8390A通過其2 MHz開關(guān)頻率在小尺寸內(nèi)提供高達(dá)45 W的輸出功率。對于超過45 W的功率水平，LT8390可以采用稍大的解決方案尺寸和更低的開關(guān)頻率。

審核編輯：郭婷