汽車USB 2.0和5V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護(hù)

作者：ADI公司 - Tao Tao，高級(jí)應(yīng)用工程師 | Trevor Crane，高級(jí)設(shè)計(jì)工程師

簡(jiǎn)介

USB充電端口已成為現(xiàn)代車輛信息娛樂系統(tǒng)的重要組成部分。乘客越來越習(xí)慣于通過車輛的電氣系統(tǒng)來為智能手機(jī)（或其他便攜式設(shè)備）充電，并反過來利用這些設(shè)備來豐富車輛信息和娛樂功能。為了同時(shí)支持電源和數(shù)據(jù)能力，并且適應(yīng)不斷快速變化的便攜式設(shè)備市場(chǎng)，USB充電端口必須滿足與電源、數(shù)據(jù)傳輸和魯棒性相關(guān)的各種系統(tǒng)要求，即使面對(duì)現(xiàn)實(shí)中的種種危險(xiǎn)情況。

便攜式設(shè)備電池充電——包括支持廣泛的設(shè)備充電協(xié)議的能力，例如USB BC 1.2充電下行端口（CDP）、專用充電端口（DCP）、標(biāo)準(zhǔn)下行端口（SDP）和各種常見專有協(xié)議——僅僅是對(duì)USB充電端口的眾多要求中的一部分。其他要求包括維護(hù)高速USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)完整性，以及保護(hù)USB主機(jī)免受汽車環(huán)境中常見危險(xiǎn)狀況的影響。此外，小尺寸解決方案和低電磁輻射是滿足日益復(fù)雜的汽車電子需求的重要要求。本文演示了一種滿足汽車環(huán)境中現(xiàn)代USB充電端口要求的解決方案，包括設(shè)計(jì)示例。

汽車USB電源系統(tǒng)概述

圖1顯示了典型汽車USB充電器系統(tǒng)的框圖，其中開關(guān)變換器從電池產(chǎn)生5 V電壓為VBUS供電。此處顯示的USB充電端口仿真器和功率開關(guān)IC具有三個(gè)主要功能。首先，USB充電端口仿真器確定所連接設(shè)備的最佳充電電流，從而通過充電端口模式（如USB BC 1.2 CDP、DCP和供應(yīng)商專有充電器仿真協(xié)議等）實(shí)現(xiàn)快速充電。其次，USB功率開關(guān)用作限流器和開關(guān)，可檢測(cè)和限制總線電流。最后，端口控制器支持所連接設(shè)備與USB主機(jī)之間進(jìn)行USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖1.汽車USB充電器框圖

由于USB端口處于惡劣的汽車環(huán)境中，因此必須對(duì)敏感的USB電路加以保護(hù)，使其免受各種現(xiàn)實(shí)危害的影響，例如插座的靜電放電（ESD）事件和線纜故障事件，這些事件可能會(huì)使受影響的線路遭受遠(yuǎn)超過其正常工作值的電壓。

圖2顯示了一個(gè)汽車USB電源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，該系統(tǒng)將許多電源、端口和保護(hù)功能結(jié)合到一個(gè)IC中。在本例中，LT8698S將開關(guān)變換器和功率開關(guān)的功能集成到4mm×6mm的封裝中，同時(shí)提供能抵御ESD事件和線纜故障的強(qiáng)大數(shù)據(jù)線保護(hù)。

圖示的集成充電器解決方案包含了在USB端口和便攜式設(shè)備之間獨(dú)立執(zhí)行USB BC 1.2 CDP協(xié)商序列的所有必需硬件，使得CDP兼容設(shè)備能夠從VBUS汲取高達(dá)1.5 A的電流，同時(shí)能與主機(jī)進(jìn)行高速通信。

線纜壓降補(bǔ)償

當(dāng)USB插座與控制器的物理距離較遠(yuǎn)時(shí)，例如USB插座位于車輛后部，而USB主機(jī)位于儀表板中，那么線纜壓降補(bǔ)償可使VBUS軌保持精確的5 V穩(wěn)壓狀態(tài)。LT8698S具有可編程線纜壓降補(bǔ)償功能，可在USB插座上執(zhí)行出色的調(diào)節(jié)，而無需額外的開爾文檢測(cè)線路。

圖3顯示了線纜壓降補(bǔ)償?shù)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/773/" target="_blank">工作原理。OUT/ISP和BUS/ISN引腳之間連接一個(gè)檢測(cè)電阻RSEN，該電阻串聯(lián)在穩(wěn)壓器輸出和負(fù)載之間。LT8698S在其RCBL引腳上通過RCBL接地電阻產(chǎn)生46 × （VOUT/ISP – VBUS/ISN）/RCBL的電流源。此電流與通過連接在穩(wěn)壓器輸出和USB5V引腳之間的RCDC電阻流入U(xiǎn)SB5V引腳的電流相同。這會(huì)在RCDC電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)高于5 V USB5V反饋引腳的電壓偏移，其與RCDC/RCBL電阻比成比例。結(jié)果，LT8698S根據(jù)負(fù)載電流將BUS/ISN引腳調(diào)節(jié)到一個(gè)高于負(fù)載目標(biāo)5V的點(diǎn)（最大限值為6.05V），以維持插座VBUS引腳的精確調(diào)節(jié)。

線纜壓降補(bǔ)償消除了從穩(wěn)壓器連接額外的一對(duì)開爾文檢測(cè)線路到遠(yuǎn)端負(fù)載的需要，但要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員知道線纜電阻RCABLE，LT8698S不會(huì)檢測(cè)此值。設(shè)置線纜壓降補(bǔ)償?shù)脑梢岳孟率竭x擇：RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE。線纜電阻會(huì)隨溫度而變化，要在很寬的溫度范圍內(nèi)獲得更好的整體輸出電壓精度，可以添加一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻作為RCBL的一部分，使線纜壓降補(bǔ)償隨溫度而變化。

圖2.圍繞單IC USB控制器解決方案構(gòu)建的汽車USB電源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖

圖4.LT8698S/LT8698S-1的強(qiáng)大保護(hù)功能

針對(duì)汽車環(huán)境提供強(qiáng)大保護(hù)

汽車環(huán)境存在多種危害，為此必須保護(hù)USB主機(jī)。這些危害包括線纜故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)線承受電池電壓或接地，以及USB插座處的大ESD沖擊。圖4顯示了如何保護(hù)USB主機(jī)免受這些危害影響。

LT8698S的HD+和HD–引腳可承受高達(dá)20 VDC，并阻止高達(dá)8 kV的接觸放電和15 kV的空氣放電IEC 61000-4-2 ESD事件，同時(shí)也能保護(hù)主機(jī)免受這些惡劣狀況的影響。此外，USB5V、OUT/ISP和BUS/ISN引腳可承受輸出電壓故障，包括高達(dá)42 V的直流電壓。發(fā)生輸出故障時(shí)，閂鎖和自動(dòng)重試功能可精確限制平均輸出電流。

雖然許多USB端口控制器IC需要數(shù)據(jù)線上有外部鉗位二極管或電容來提供ESD保護(hù)（這會(huì)增加成本和材料，同時(shí)可能降低信號(hào)完整性），但LT8698S不需要。

數(shù)據(jù)線開關(guān)不僅能夠承受前面所說的直流故障和ESD事件，而且有助于實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)完整性。具體說來，HD+和HD–引腳的–3 dB帶寬為480 MHz（典型值），這已經(jīng)過生產(chǎn)測(cè)試。圖5顯示了根據(jù)USB 2.0規(guī)范在測(cè)試平面2的演示板上測(cè)得的高速傳輸眼圖。該圖顯示其符合USB模板1、測(cè)試平面2限值，并且有充足的裕量。

圖5.在演示板上測(cè)得的高速USB 2.0眼圖。所示為模板1要求。

兼容并支持廣泛的充電器特性

本例中使用的控制器IC與多種USB連接器類型和充電器特性兼容，如表1所示。我們來看一下單個(gè)控制器在USB Type-C 5 V、3 A解決方案（15 W）中如何工作。

圖6顯示了具有線纜壓降補(bǔ)償?shù)腢SB 5 V、3 A VBUS穩(wěn)壓器的原理圖。此電路選擇8 mΩ的RSEN電阻值來支持高達(dá)3 A的輸出電流，SYNC/MODE引腳接地以使能跳脈沖工作模式，降低輕載電流時(shí)的開關(guān)頻率和靜態(tài)電流。

LT8698S還支持USB BC 1.2 DCP模式，該模式可提供高達(dá)1.5 A的充電電流，支持大電流充電能力。當(dāng)用作DCP端口時(shí)，D+和D–線路短接，沒有數(shù)據(jù)傳輸。

許多便攜式設(shè)備制造商開發(fā)了專有充電器協(xié)議。同樣的，這些廠商專有的充電器協(xié)議以及對(duì)應(yīng)的最大充電電流（如2.0 A、2.4 A、2.1 A和1.0 A）也受支持。主機(jī)微控制器可以通過控制三個(gè)SEL引腳來實(shí)現(xiàn)這些充電器協(xié)議。

圖7顯示了2.4 A/1.5 A USB充電器的原理圖。在此應(yīng)用中，微控制器利用LT8698S STATUS引腳和IMON電流監(jiān)控器提供的信息，通過控制SEL1-3輸入引腳來選擇所需的充電器協(xié)議。這樣，微控制器就能優(yōu)化便攜式設(shè)備的充電特性，從而以盡可能大的電流安全充電。

表1.LT8698S/LT8698S-1與多種USB連接器類型、充電器協(xié)議和數(shù)據(jù)接口的兼容性

圖6.5 V、3 A、USB type-C應(yīng)用

圖7.帶電流監(jiān)控器的2.4 A/1.5 A自動(dòng)協(xié)議檢測(cè)充電器

EMI解決方案

汽車電子系統(tǒng)電源的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是低EMI，通常需要滿足CISPR 25 5類排放標(biāo)準(zhǔn)。LT8698S采用Silent Switcher? 2技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得USB電源能夠滿足這些嚴(yán)格的汽車EMI標(biāo)準(zhǔn)，而不會(huì)犧牲解決方案的尺寸、效率和魯棒性。

Silent Switcher 2架構(gòu)在LQFN封裝內(nèi)部集成了旁路電容，以將EMI降至最低。旁路電容的集成簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，減少了整體解決方案的尺寸，同時(shí)盡可能地降低了PCB布局對(duì)EMI性能的影響。LT8698S-1不含這些內(nèi)部旁路電容，其他方面與LT8698S完全相同。通過向SYNC/MODE引腳施加高于3.0 V的直流電壓，這兩款器件便都能提供可選的展頻調(diào)制。圖8顯示了LT8698S在典型應(yīng)用條件下的輻射EMI性能。

LT8698S和LT8698S-1能以300 kHz至3 MHz的可程式化和可同步開關(guān)頻率工作。較高開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值，以減小整體解決方案的尺寸。圖9顯示，即使在2 MHz的較高開關(guān)頻率下，這種12 V至5 V USB解決方案也能實(shí)現(xiàn)93%的效率。

圖8.輻射EMI性能（CISPR 25電磁輻射干擾，使用峰值檢波器，5類峰值限制）

圖9.5 V USB解決方案的效率和功率損耗曲線。

結(jié)論

USB充電端口是現(xiàn)代車輛信息娛樂系統(tǒng)的重要組成部分，面對(duì)汽車環(huán)境中的各種現(xiàn)實(shí)危險(xiǎn)事件，必須在電源、數(shù)據(jù)傳輸支持和魯棒性方面應(yīng)對(duì)各種系統(tǒng)挑戰(zhàn)。本文介紹的采用LT8698S USB充電器IC的示例解決了這些挑戰(zhàn)。它們支持各種便攜式設(shè)備充電器協(xié)議，并能為USB type-C充電應(yīng)用提供高達(dá)15 W的輸出功率。此外，它們還能保護(hù)USB主機(jī)免受潛在的危險(xiǎn)情況影響，例如線纜故障和嚴(yán)重ESD事件。LT8698S在提供這種保護(hù)的同時(shí)，還能保持USB主機(jī)與便攜式設(shè)備之間高速USB數(shù)據(jù)傳輸所需的信號(hào)完整性。最后，Silent Switcher 2架構(gòu)可在不犧牲效率和解決方案尺寸的情況下提供出色的EMI性能。

作者簡(jiǎn)介

Tao Tao是ADI公司的一名電源產(chǎn)品高級(jí)應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉。他目前負(fù)責(zé)提供降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器IC方面的應(yīng)用支持。在此之前，Tao在Intersil Corporation公司從事集成電源模塊的開發(fā)工作。Tao的專業(yè)領(lǐng)域包括高效高密度電源轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器、電源轉(zhuǎn)換器的建模和控制、EMI抑制技術(shù)、電子封裝技術(shù)、PCB板設(shè)計(jì)，以及解決任何其他技術(shù)問題。Tao擁有弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（位于弗吉尼亞州布萊克斯堡）電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：tao.tao@analog.com。

Trevor Crane是ADI公司的一名高級(jí)設(shè)計(jì)工程師。他目前在ADI電源事業(yè)部的Grass Valley分部工作，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)多通道降壓穩(wěn)壓器。他于2004年畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。Trevor曾在凌力爾特擔(dān)任產(chǎn)品工程師和分立電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師。他已發(fā)布三款汽車USB降壓穩(wěn)壓器。