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如何滿足各種環(huán)境下汽車USB充電端口要求?

作者: 時(shí)間:2023-03-22 來(lái)源:ADI 收藏

已成為現(xiàn)代車輛信息娛樂(lè)系統(tǒng)的重要組成部分。乘客越來(lái)越習(xí)慣于通過(guò)車輛的電氣系統(tǒng)來(lái)為智能手機(jī)(或其他便攜式設(shè)備)充電,并反過(guò)來(lái)利用這些設(shè)備來(lái)豐富車輛信息和娛樂(lè)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),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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202303/444733.htm


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 BC 1.2充電下行端口(CDP)、專用(DCP)、標(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP)和各種常見(jiàn)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)男盘?hào)完整性,以及保護(hù)USB主機(jī)免受汽車環(huán)境中常見(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)用作限流器和開(kāi)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。


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(guò)其正常工作值的電壓。


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圖1.汽車USB充電器框圖


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(kāi)關(guān)變換器和功率開(kāi)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(wú)需額外的開(kāi)爾文檢測(cè)線路。


圖3顯示了線纜壓降補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟怼UT/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(guò)RCBL接地電阻產(chǎn)生46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL的電流源。此電流與通過(guò)連接在穩(wěn)壓器輸出和USB 5V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(kāi)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。


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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


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圖3.線纜壓降補(bǔ)償工作原理


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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(lái)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(kāi)關(guān)不僅能夠承受前面所說(shuō)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(shuō)來(lái),HD+和HD–引腳的–3 dB帶寬為480 MHz(典型值),這已經(jīng)過(guò)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。


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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(lái)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(lái)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(kāi)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(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。


許多便攜式設(shè)備制造商開(kāi)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(guò)控制三個(gè)SEL引腳來(lái)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(guò)控制SEL1-3輸入引腳來(lái)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。


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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


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圖6.5 V、3 A、USB type-C應(yīng)用


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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(guò)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(kāi)關(guān)頻率工作。較高開(kāi)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(kāi)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。


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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)


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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(lè)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。



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