在汽車應(yīng)用中轉(zhuǎn)向USB Type-C供電

作者：安森美半導(dǎo)體高級產(chǎn)品線經(jīng)理Pete Chadbourne

當(dāng)汽車工業(yè)引入‘信息娛樂’的概念時，對制造商而言是個重大轉(zhuǎn)變，因為它帶來了汽車功能系統(tǒng)和非功能系統(tǒng)之間更緊密的集成。信息娛樂為駕駛員創(chuàng)造了一個新的接口，因此，它對我們?nèi)绾闻c技術(shù)交互的影響幾乎與手機(jī)的引入一樣重要。

我們看到了主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)配置文件和用戶可升級的音頻系統(tǒng)-這大都是獨立的-被適合制造商的系統(tǒng)所替換，提供更多功能。它們迅速演變至包含導(dǎo)航，同時逐步整合更多對汽車其他系統(tǒng)的控制，例如氣候控制。安全特性，是今天先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的前身，如倒車攝像頭，也成為信息娛樂中心的一部分，在相同的時期內(nèi)，這些系統(tǒng)已被進(jìn)一步擴(kuò)展，使手機(jī)在汽車不斷增長的功能列表中不可或缺。

主要得益于USB接口（雖然藍(lán)牙也發(fā)揮著重要的作用），現(xiàn)在很容易將您的手機(jī)連接到您的汽車以接入媒體、訪問聯(lián)系信息或只是打電話。當(dāng)選擇通過USB有線連接時，額外的益處是在您忙碌的早晨上班或在郊外悠閑地開車時，您的手機(jī)電池通過汽車充電。

這種便利不可低估，特別是考慮到如果使用頻繁，許多智能手機(jī)仍然很難靠一次充電維持一整天。但是隨著USB接口的發(fā)展，車主們將期望他們的汽車也同樣演進(jìn)。汽車行業(yè)不像消費領(lǐng)域演變那么快，因此全新的連接器USB Type C的引入將對汽車制造商如何解決這一非常實際的挑戰(zhàn)產(chǎn)生重大影響。

他們不能忽視連接器配置文件正在改變的事實。由于手機(jī)的更新?lián)Q代頻率遠(yuǎn)高于汽車，消費者可能會接受一些滯后，但在選擇新的家庭汽車時，支持最新的USB接口將無疑是車主所期待的，尤其因為新標(biāo)準(zhǔn)將支持更多種設(shè)備充電。它將不再局限于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)、平板電腦和其它需要更高功率的設(shè)備，都可通過USB Type-C充電。

BMC提供密鑰

使USB連接能提供或汲取達(dá)100 W電源的技術(shù)存在于規(guī)范的供電（PD）部分。它需要一個電源能夠提供這樣的功率水平，此外，還依賴于USB控制器能夠解譯連接的設(shè)備需求。雖然供電一直是USB規(guī)范的一個重要方面，但使用Type-C連接器和USB 3.x規(guī)格的電纜能最好地實現(xiàn)目前更高的功率水平。

Type-C連接可正反逆插，為用戶帶來了更多的便利，卻使開發(fā)更復(fù)雜。方向通過新的配置通道（CC）管理，該配置通道在連接器上有兩個專用的引腳，并支持連接的設(shè)備協(xié)商需要提供或汲取多少電源。該通道使用的協(xié)議是一種稱為雙相符號編碼（BMC）的差分曼徹斯特編碼。USB Implementer Forum（USB-IF）定義了五個供電配置文件：10W、18W、36W、60W和100 W。使用BMC協(xié)議，電源配置文件可在含USB Type-C接口的兩臺設(shè)備之間進(jìn)行交換。編碼方案使用轉(zhuǎn)換來表示邏輯電平，而不是絕對電平，并且它結(jié)合了自己的時鐘信號，使得同步更簡單。然而，BMC協(xié)議依賴于一個物理接口，該接口能在具電氣挑戰(zhàn)的環(huán)境中可靠地解碼信號，而且很少有電氣環(huán)境比車輛環(huán)境更具挑戰(zhàn)性。

添加Type-C到汽車中

安森美半導(dǎo)體的FUSB302B是完全符合AEC-Q100車規(guī)的可編程的USB Type-C控制器，含電源傳輸，集成了一個BMC客戶端配置通道，支持全Type-C PD 2.0 的1.1版本。這意味著CC可用于檢測設(shè)備何時連接或未連接、主機(jī)或設(shè)備的當(dāng)前功能，以及是否存在有源電纜，以及選擇所需的模式（如音頻適配器或調(diào)試附件模式）。圖1顯示了一個典型應(yīng)用的框圖。

圖1：典型應(yīng)用框圖

這顯示了控制器和主機(jī)處理器之間的I2C接口，說明FUSB302B沒有集成自己的處理器。這是該器件的一個重要特性，因為它無需為一個集成的處理器提供額外功率，同時支持固件駐留在位于系統(tǒng)任意處的處理器中，如果USB規(guī)范被修改，為制造商提供一個更簡單的升級路徑。圖2顯示了一個更詳細(xì)的應(yīng)用示例。FUSB302T是FUSB302B的默認(rèn)源配置選項，可用作在汽車應(yīng)用中實施USB Type-C時構(gòu)成完整系統(tǒng)的一部分。

圖2：應(yīng)用示例顯示雙USB端口提供100 W能力

FUSB302B實施了一個CC開關(guān)，使它能夠檢測到它是作為設(shè)備主機(jī)還是雙角色端口連接，通過多個比較器和由主機(jī)處理器上的軟件控制的可編程DAC進(jìn)行管理（圖3）。

圖3：配置通道開關(guān)功能

通過實施瘦BMC客戶端，包括BMC物理接口（PHY）和分組FIFO，主機(jī)處理器能夠使用I2C接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。這說明USB BMC PD的所有功能都可通過軟件訪問，使用口令讀寫FUSB302B的FIFO?？诹铎`活，支持USB PD規(guī)范的所有功能，包括突發(fā)寫入FIFO的快速分組處理。通過該CC接收到的每個有效數(shù)據(jù)包都存儲在FIFO中；BMC接收器感知CC上的活動，并啟用內(nèi)部振蕩器。一旦檢測到，就會使用專用中斷通知主機(jī)處理器已接收到有效的數(shù)據(jù)包。圖4顯示了USB BMC PD塊框圖。

圖4：USB BMC PD塊

靈活性提供長期解決方案

通過在主機(jī)處理器上運行的固件，使USB控制器幾乎完全是軟件定義的，它為汽車制造商提供了一種長期的解決方案，以實施已經(jīng)符合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的USB PD（USB PD3.0的1.1版本），并通過對主機(jī)處理器進(jìn)行簡單的固件更新來滿足未來對該規(guī)范的任何修訂。

對FUSB302B的優(yōu)化設(shè)計結(jié)合高性能和低功耗，通過軟件配置來實現(xiàn)。通過選擇軟件可配置的格式，它無需另一個占用資源的嵌入式處理器，并通過支持由主機(jī)處理器定義其功能來增加其靈活性。這為汽車制造商提供了從Type A/B轉(zhuǎn)向?qū)嵤︰SB PD的路徑，并最終實施Type-C，而無需更改USB控制器。