該設(shè)計解決方案回顧了設(shè)計具有USB供電系統(tǒng)的汽車雙USB Type-C?所面臨的挑戰(zhàn)。模塊溫升必須低于40°C。 汽車電池電壓波動很大。數(shù)據(jù)線必須得到充分保護(hù)，設(shè)計必須靈活且適應(yīng)不同的外形尺寸。降壓-升壓控制器 IC 和保護(hù) IC 芯片組可實(shí)現(xiàn)在允許的熱限制內(nèi)運(yùn)行的小型靈活模塊。

介紹

USB端口在汽車中無處不在。通過使用適當(dāng)?shù)碾娎|，許多便攜式設(shè)備、智能手機(jī)和平板電腦都可以在旅途中充電。實(shí)現(xiàn)這些功能的電子模塊必須安裝在狹小的空間內(nèi)，而不會過熱。對于雙端口專用充電解決方案，該問題會更加嚴(yán)重，該解決方案必須支持兩個連接器，而不會增加組件數(shù)量和解決方案尺寸。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，USB 供電 （USB-PD） 標(biāo)準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn)電纜將可用功率從 15W（5V、3A）增加到 60W（20V、3A）。

雙 USB 充電器必須符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，并且必須符合 USB 規(guī)范。除了尺寸和溫度挑戰(zhàn)外，該解決方案不僅必須包括雙傳統(tǒng)USB枚舉技術(shù)，還必須發(fā)出最小的EMI輻射，承受40V負(fù)載突降，并具有防止汽車磁場返回的保護(hù)。它還應(yīng)該與采用啟動/停止技術(shù)并在發(fā)動機(jī)啟動時遇到較大電池電壓驟降的車輛兼容。這會導(dǎo)致電池電壓下降到遠(yuǎn)低于典型的12V，有時甚至6V或更低。

不同的車型需要不同的USB模塊外形。因此，芯片制造商必須提供具有臨時參考設(shè)計以及相關(guān) Allegro 和/或 Gerber 文件的客戶就緒解決方案。

該設(shè)計解決方案討論了設(shè)計雙USB-PD和保護(hù)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，并提出了一種熱效率高且易于根據(jù)不同平臺要求進(jìn)行定制的方法。

USB Type-C 帶供電標(biāo)準(zhǔn)

具有供電功能的USB Type-C支持高數(shù)據(jù)速率和電子產(chǎn)品之間的更高功率傳輸。它可以提供 10Gbps 的吞吐量，同時通過標(biāo)準(zhǔn)電纜提供高達(dá) 3A 的電流，通過增強(qiáng)型電纜提供高達(dá) 5A 的電流?？偩€電壓（V總線） 可調(diào)節(jié)至 20V（使用標(biāo)準(zhǔn)電纜時 3A 時為 60W，使用增強(qiáng)型電纜時可在 5A 時調(diào)節(jié) 100W）。

雙 USB C 型，帶供電功能

圖 2顯示了雙 USB-PD 系統(tǒng)。對于汽車電池，充電時通常為 14V，在啟動/停止期間降至最低 6V，供電電壓可能在 5V 至 20V 之間變化。穩(wěn)壓器提供輸出電壓V的唯一可能選擇總線通過使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。電荷仿真和保護(hù)IC接收PD控制器信號，并將其傳遞到USB Type-C連接器。

圖2.降壓-升壓（橙色）供電和保護(hù)架構(gòu)。

發(fā)熱問題

USB充電器模塊的散熱規(guī)格很簡單，其溫度不能超過環(huán)境溫度的40°C。

問題在于，功率輸出的增加會導(dǎo)致更高的功率損耗，從而在OEM指定的USB模塊尺寸內(nèi)產(chǎn)生額外的熱量。這種熱量很難輕易去除。系統(tǒng)成本始終至關(guān)重要，塑料是模塊最便宜的材料，但不利于傳熱。通風(fēng)箱是一種低成本的選擇，但這些功率水平有時需要散熱，這會增加系統(tǒng)成本。最好的散熱逸出方法是使用暴露在外部環(huán)境中的金屬電連接器。但由于其暴露和功能，最終用戶可能會觸摸此組件。因此，出于對最終用戶的安全考慮，必須限制PCB和連接器的溫度。

降壓-升壓架構(gòu)選擇

熱和功率損耗的管理在汽車應(yīng)用中非常重要。使用低R的外部MOSFETDS（ON）低柵極電容將損耗降至最低。在具有 12V 輸入的 60W 控制器設(shè)計中，MOSFET 的功率損耗因 H 橋中的位置而異。在一個示例中，最熱的MOSFET的溫升為39°C（見圖5）。在24.5°C的環(huán)境溫度下，PCB上最熱的溫度約為63.5°C。 MOSFET之間確實(shí)會發(fā)生相互加熱，但由于電路板上的適當(dāng)間距而減少了相互加熱。必須在通孔間距和鉆頭尺寸之間取得良好的平衡，才能將熱量從器件中排出，同時將對標(biāo)準(zhǔn) FR-4 板的 EMI 影響降至最低。

相比之下，當(dāng)所有四個MOSFET都集成在單個IC上時，例如在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，相互加熱是一個大問題，因?yàn)楹纳⒐β始性诜浅Ｐ〉膮^(qū)域內(nèi)。在這種情況下，每個MOSFET的溫升大致與所有耗散功率的總和成正比。這可能是控制器外殼估計量的兩倍 （78°C）。在 24.5°C 的環(huán)境溫度下，轉(zhuǎn)換器解決方案中的連接器溫度將更難管理！

外形尺寸

控制器的高集成度及其在足夠高的頻率下工作的能力，可以在不顯著影響效率的情況下減少外部無源器件（電感和電容器），這是減小整體解決方案尺寸的關(guān)鍵。小型解決方案更具成本效益，并且更容易適應(yīng)汽車制造商所需的不同外形尺寸。最后，IC制造商提供臨時解決方案的能力，包括PCB、Allegro和/或Gerber文件，對于幫助客戶滿足其生產(chǎn)窗口至關(guān)重要。

高度集成的控制器

例如，MAX25431為電流模式降壓-升壓控制器（圖3）。該器件采用 6V 至 36V 的輸入電壓工作。開關(guān)頻率可通過電阻在 220kHz 至 2.2MHz 范圍內(nèi)設(shè)置，并可同步至一個外部時鐘。寬輸入電壓范圍，以及在電池瞬變期間保持恒定輸出電壓的能力，使該器件成為汽車應(yīng)用的理想選擇。施加到邏輯輸入 （FSYNC） 的外部頻率允許器件在固定頻率、強(qiáng)制 PWM 模式下工作，以消除頻率變化并有助于最大限度地降低 EMI。保護(hù)功能包括持續(xù)過載期間的逐周期電流限制和打嗝、輸入欠壓鎖定 （UVLO）、輸出過壓保護(hù)和帶自動恢復(fù)功能的熱關(guān)斷。MAX25431采用小型4mm x 4mm、24引腳TQFN-EP SW封裝。

圖3.降壓-升壓應(yīng)用圖。

更高的效率

在圖4中，IC提供3.5A電流，峰值效率為98%。與競爭對手的解決方案相比，降壓-升壓控制器具有2%的優(yōu)勢，這在該應(yīng)用中非常關(guān)鍵。

圖4.高效曲線和比較。

低溫升

圖5顯示了V下的PCB溫度分布外= 20V，I港口= 3A，η = 96.29%，開關(guān)頻率為 440kHz，總輸出功率為 PD= 2 x 60W（每個降壓-升壓為 60W）。

圖5.120W PD解決方案熱圖。

溫升最多為：

ΔT = 63.5 – 24.5 = 39°C

卓越的效率和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">PCB設(shè)計即使在這種非常極端的條件下也能將溫升保持在40°C以下。

體積小

高度集成的控制器可提供僅 2508mm 的解決方案2面積（圖 6），比最接近的競爭對手解決方案好 17%。

圖6.電路板尺寸小。

USB-PD 保護(hù)

與降壓-升壓控制器相輔相成的是MAX25410。該 IC 是一款汽車 USB-PD 端口保護(hù)器解決方案，適用于汽車無線電、導(dǎo)航、連接和 USB 集線器/多媒體模塊應(yīng)用。該器件為USB Type-C連接器上的CC1、CC2、D+和D-信號提供單芯片汽車USB-PD保護(hù)解決方案。該 IC 還提供具有高級故障管理的 VCONN 開關(guān)，無需專用電源。器件保護(hù)功能包括 ±15kV IEC 61000-4-2、ISO 10605 ESD 和短路至 V總線（24V） 在受保護(hù)的 HVCC1、HVCC2、HVD+ 和 HVD 引腳上。該器件還集成了 BC1.2 電荷檢測 CDP、DCP 或直通 （SDP） 模式。該 IC 采用小型 4mm x 4mm 16 引腳 TQFN 封裝。

雙 USB C 型供電和保護(hù)模塊

降壓-升壓解決方案和保護(hù)IC集成在USB-PD和保護(hù)模塊中。圖7所示為120W高效、小尺寸供電模塊。

圖7.120W高效、小尺寸供電模塊。

結(jié)論

USB-PD 標(biāo)準(zhǔn)可通過標(biāo)準(zhǔn)電纜實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60W 的功率傳輸，這增加了設(shè)計汽車雙 USB 模塊的風(fēng)險，因?yàn)樵试S的 40°C 溫升更難實(shí)現(xiàn)。在信號側(cè)，數(shù)據(jù)線必須得到充分保護(hù)，同時支持電荷仿真和電荷檢測。該模塊必須易于設(shè)計，并根據(jù)不同的客戶平臺要求快速重新配置。在討論了各種挑戰(zhàn)之后，我們介紹了基于降壓-升壓控制器IC和保護(hù)IC的高度集成芯片組。我們展示了，使用此芯片組，模塊溫升控制在允許的范圍內(nèi)。其小尺寸使該模塊具有成本效益，并且易于適應(yīng)汽車制造商所需的不同外形尺寸。臨時解決方案的可用性，包括 PCB、Allegro 和/或 Gerber 文件，有助于滿足關(guān)鍵的客戶生產(chǎn)期限。

審核編輯：郭婷