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

簡介

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。乘客越來越習慣于通過車輛的電氣系統(tǒng)來為智能手機（或其他便攜式設備）充電，并反過來利用這些設備來豐富車輛信息和娛樂功能。為了同時支持電源和數(shù)據(jù)能力，并且適應不斷快速變化的便攜式設備市場，USB充電端口必須滿足與電源、數(shù)據(jù)傳輸和魯棒性相關的各種系統(tǒng)要求，即使面對現(xiàn)實中的種種危險情況。

便攜式設備電池充電——包括支持廣泛的設備充電協(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)、標準下行端口(SDP)和各種常見專有協(xié)議——僅僅是對USB充電端口的眾多要求中的一部分。其他要求包括維護高速USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柾暾?，以及保護USB主機免受汽車環(huán)境中常見危險狀況的影響。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，包括設計示例。

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IC具有三個主要功能。首先，USB充電端口仿真器確定所連接設備的最佳充電電流，從而通過充電端口模式（如USB BC 1.2 CDP、DCP和供應商專有充電器仿真協(xié)議等）實現(xiàn)快速充電。其次，USB功率開關用作限流器和開關，可檢測和限制總線電流。最后，端口控制器支持所連接設備與USB主機之間進行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，因此必須對敏感的USB電路加以保護，使其免受各種現(xiàn)實危害的影響，例如插座的靜電放電(ESD)事件和線纜故障事件，這些事件可能會使受影響的線路遭受遠超過其正常工作值的電壓。

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

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

線纜壓降補償

當USB插座與控制器的物理距離較遠時，例如USB插座位于車輛后部，而USB主機位于儀表板中，那么線纜壓降補償可使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償功能，可在USB插座上執(zhí)行出色的調節(jié)，而無需額外的開爾文檢測線路。

圖3顯示了線纜壓降補償?shù)墓ぷ髟?。OUT/ISP和BUS/ISN引腳之間連接一個檢測電阻RSEN，該電阻串聯(lián)在穩(wěn)壓器輸出和負載之間。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USB5V引腳的電流相同。這會在RCDC電阻兩端產(chǎn)生一個高于5 V USB5V反饋引腳的電壓偏移，其與RCDC/RCBL電阻比成比例。結果，LT8698S根據(jù)負載電流將BUS/ISN引腳調節(jié)到一個高于負載目標5V的點（最大限值為6.05V），以維持插座VBUS引腳的精確調節(jié)。

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

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

圖3 線纜壓降補償工作原理

圖4 LT8698S/LT8698S-1的強大保護功能

針對汽車環(huán)境提供強大保護

汽車環(huán)境存在多種危害，為此必須保護USB主機。這些危害包括線纜故障導致數(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USB主機免受這些危害影響。

LT8698S的HD+和HD–引腳可承受高達20 VDC，并阻止高達8 kV的接觸放電和15 kV的空氣放電IEC 61000-4-2 ESD事件，同時也能保護主機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42 V的直流電壓。發(fā)生輸出故障時，閂鎖和自動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（這會增加成本和材料，同時可能降低信號完整性），但LT8698S不需要。

數(shù)據(jù)線開關不僅能夠承受前面所說的直流故障和ESD事件，而且有助于實現(xiàn)出色的信號完整性。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)測試。圖5顯示了根據(jù)USB 2.0規(guī)范在測試平面2的演示板上測得的高速傳輸眼圖。該圖顯示其符合USB模板1、測試平面2限值，并且有充足的裕量。

圖5 在演示板上測得的高速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，降低輕載電流時的開關頻率和靜態(tài)電流。

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

許多便攜式設備制造商開發(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)議以及對應的最大充電電流（如2.0 A、2.4 A、2.1 A和1.0 A）也受支持。主機微控制器可以通過控制三個SEL引腳來實現(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應用

圖7 帶電流監(jiān)控器的2.4 A/1.5 A自動協(xié)議檢測充電器

EMI解決方案

汽車電子系統(tǒng)電源的一項關鍵要求是低EMI，通常需要滿足CISPR 25 5類排放標準。LT8698S采用Silent Switcher? 2技術進行設計，使得USB電源能夠滿足這些嚴格的汽車EMI標準，而不會犧牲解決方案的尺寸、效率和魯棒性。

Silent Switcher 2架構在LQFN封裝內(nèi)部集成了旁路電容，以將EMI降至最低。旁路電容的集成簡化了電路板設計，減少了整體解決方案的尺寸，同時盡可能地降低了PCB布局對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制。圖8顯示了LT8698S在典型應用條件下的輻射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頻率工作。較高開關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的較高開關頻率下，這種12 V至5 V USB解決方案也能實現(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，面對汽車環(huán)境中的各種現(xiàn)實危險事件，必須在電源、數(shù)據(jù)傳輸支持和魯棒性方面應對各種系統(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備充電器協(xié)議，并能為USB type-C充電應用提供高達15 W的輸出功率。此外，它們還能保護USB主機免受潛在的危險情況影響，例如線纜故障和嚴重ESD事件。LT8698S在提供這種保護的同時，還能保持USB主機與便攜式設備之間高速USB數(shù)據(jù)傳輸所需的信號完整性。最后，Silent Switcher 2架構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。

作者簡介

Tao Tao是ADI公司的一名電源產(chǎn)品高級應用工程師，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。他目前負責提供降壓型開關穩(wěn)壓器IC方面的應用支持。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)領域包括高效高密度電源轉換器和穩(wěn)壓器、電源轉換器的建模和控制、EMI抑制技術、電子封裝技術、PCB板設計，以及解決任何其他技術問題。Tao擁有弗吉尼亞理工學院暨州立大學（位于弗吉尼亞州布萊克斯堡）電氣工程碩士學位。

Trevor Crane是ADI公司的一名高級設計工程師。他目前在ADI電源事業(yè)部的Grass Valley分部工作，負責設計多通道降壓穩(wěn)壓器。他于2004年畢業(yè)于斯坦福大學，獲得電氣工程學士學位。Trevor曾在凌力爾特擔任產(chǎn)品工程師和分立電源產(chǎn)品設計工程師。他已發(fā)布三款汽車USB降壓穩(wěn)壓器。