汽車系統(tǒng)中的典型電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用

USB Type-C新標(biāo)準(zhǔn)中最令人激動(dòng)的一個(gè)方面是其電力傳輸部分。通過(guò)USB供電，器件可以成功獲得更多的電力，從而實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等便攜式設(shè)備將能夠更快地充電。顯示器等高功率設(shè)備將能夠通過(guò)相同的電纜獲得電源和數(shù)據(jù)。

器件和主機(jī)的數(shù)量仍然相對(duì)較少，但正不斷增加。隨著USB Type-C器件的普及，消費(fèi)者也希望在家中、移動(dòng)辦公時(shí)使用它們，尤其是在汽車上。

汽車系統(tǒng)有一套獨(dú)特的要求和設(shè)計(jì)障礙，超出了USB供電的要求。表1所示為汽車系統(tǒng)中的典型電壓。

表1 汽車系統(tǒng)中的典型電壓

汽車系統(tǒng)將對(duì)輸入使用保護(hù)和/或調(diào)節(jié)，以限制負(fù)載的電壓。該電壓通常限于高出卡車電壓或?yàn)殡姵仉妷旱膬杀叮陀?0V。輸入保護(hù)功能可使輸入電壓介于3-40V之間。

USB Type-A器件僅在5V條件下工作，因此降壓轉(zhuǎn)換器可以創(chuàng)建充電或通信端口。然而，在起動(dòng)條件下，USB Type-A系統(tǒng)不起作用。過(guò)去，這并不是一個(gè)很大的問(wèn)題，因?yàn)檐囕v駕駛員只將車輛起動(dòng)一次，而且起動(dòng)只需要很短的時(shí)間。但是隨著停止起動(dòng)怠速的采用，這種中斷逐漸成為了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。想像您坐在車中聽(tīng)著手機(jī)播放的音樂(lè)，每次車輛起動(dòng)和停止時(shí)，音樂(lè)就會(huì)中斷。USB供電允許電壓介于5V-20V之間，為負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷菏且粋€(gè)真正存在的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器不再能夠執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換。在特定的輸入和輸出電壓范圍內(nèi)，一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器也不夠。汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一臺(tái)可以根據(jù)工況降壓或升壓的轉(zhuǎn)換器。

一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合這些標(biāo)準(zhǔn)，包括單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）、反激式或非反向降壓-升壓。非反向降壓-升壓類別還包括雙開(kāi)關(guān)或四開(kāi)關(guān)的選項(xiàng)。圖1所示為每個(gè)拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖。

圖1 非反向降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖

這些拓?fù)渲械拿恳粋€(gè)都包含權(quán)衡，如表2所列。

表2選擇非反向降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)的權(quán)衡

SEPIC和反激式轉(zhuǎn)換器所具有的性能高度相似；然而，SEPIC的鉗位輸入電壓和現(xiàn)成的電感使其對(duì)汽車應(yīng)用更具吸引力。雙開(kāi)關(guān)降壓-升壓在功率上受限，其范圍與SEPIC類似，但對(duì)雙開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器來(lái)說(shuō)，可用選項(xiàng)很少。因此，只能將SEPIC用于低功耗應(yīng)用（5-50W），而將四開(kāi)關(guān)降壓-升壓用于高功率應(yīng)用（30-100W）。

汽車環(huán)境中的許多應(yīng)用可以從USB供電中受益，其中包括：

車輛（5, 9, 15或20V）中可達(dá)100W的充電端口。

從便攜式設(shè)備充電和接受數(shù)據(jù)的信息娛樂(lè)端口。

信息娛樂(lè)輸出端口——例如，連接到車輛后部監(jiān)視器并通過(guò)同一根電纜提供電源和數(shù)據(jù)的端口。

可從汽車提供電源和數(shù)據(jù)的診斷端口。

USB Type-C尚未應(yīng)用于車輛，但很快就會(huì)得到應(yīng)用。目前還有許多電源障礙需要解決，以確保獲得無(wú)故障的用戶體驗(yàn)。輸入和輸出電壓的變化使得非反向降壓-升壓電源成為理想的選擇。對(duì)于低成本和低功耗解決方案來(lái)說(shuō)，SEPIC可能是合適的選擇。對(duì)功率和效率更高的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，四開(kāi)關(guān)降壓-升壓法可以提供一個(gè)非常有吸引力的解決方案。在汽車環(huán)境中通過(guò)USB 供電的應(yīng)用數(shù)量只會(huì)增加不會(huì)減少，這意味著電源設(shè)計(jì)的機(jī)遇將會(huì)更加多元。