为车辆带来下一代USB供电

随着便携式电子产品的广泛采用和使用，用户能够在驾驶时在汽车中为设备充电变得越来越重要。USB的供电功能使设备充电对用户来说非常方便。此外，USB的高数据速率使下一代信息娱乐系统能够支持广泛的车载功能，例如音频播放，屏幕和应用程序共享，数据连接等。

传统的USB Type-A连接器已经在所有主要汽车原始设备制造商的型号中提供，提供高达7.5 W的功率能力（5 V时高达1.5 A的电流）。然而，随着 USB Type-C 连接器在 PC、智能手机和其他便携式电子设备中的迅速采用，USB Type-A 正迅速成为传统连接器：USB Type-C 半导体市场预计将在 2022 年达到 9 亿以上（来源：Gartner 2018 和赛普拉斯估计）。

USB Type-C 连接器提供比 USB Type-A 连接器更紧凑的外形，具有通用连接、可逆插头方向和可逆电缆方向的额外优势。它还支持更高的功率输出，高达 100 W（20 V 时高达 5 A）。能够提供比 7.5 W 大得多的功率，从而实现引人注目的新使用模式，包括更快的充电速度以及同时为汽车中越来越多的有源设备（包括平板电脑、笔记本电脑甚至电动剃须刀）充电的能力。

然而，在车辆中实现具有下一代供电功能的USB Type-C不仅仅涉及增加端口的电压和电流。它还需要一种不同于基于 USB 的商品级和消费级产品的典型设计方法。本文探讨了如何在车辆中使用 USB、USB Type-C 和供电控制器所需的功能、互操作性影响以及使用 USB Type-C 进行设计时要考虑的关键因素。

电力输送的重要性

我们世界的快节奏意味着我们需要能够更快、更频繁地为设备充电。例如，在 100 W 的功率输出下，销售人员可以在会议之间的 15 分钟车程内为笔记本电脑和手机充电。同样，父母可以确信他们的手机 - 以及孩子的平板电脑 - 不会在长途旅行中耗尽电量。

更高的功率输出是车载USB的关键。当然，用户可以使用USB Type-C到Type-A适配器使用传统端口为新手机充电。但是，他们不会获得USB Type-C的全部好处。相反，他们的下一代手机能够快速充电，将限制在USB Type-A提供的最大7.5 W。显然，全功率输送的可用性将在客户满意度和区分车型方面发挥重要作用。

汽车OEM不太可能需要为车辆中的每个USB Type-C端口提供完整的100 W。为了在不显著影响充电时间或可靠性的情况下降低成本，可以在端口之间共享单个 100 W 电源，称为动态负载分配。例如，USB Power Delivery 控制器和固件中的智能可以将其中一个 USB Type-C 端口的功率降至 60 W，因此当设备插入时，它可以为第二个端口提供 40 W。

USB C 型和供电控制器

为了处理USB Type-C和PD协议的复杂性，这些控制器将嵌入式微处理器与PD控制器逻辑集成在一起。通常，此微处理器的固件将由控制器制造商提供，可以是可下载文件，也可以是由开发环境生成。

如果 OEM 希望在车辆的长使用寿命内提供强大的解决方案，那么获得 USB 认证只是最低要求。控制器还应由经过现场验证的成熟软件堆栈提供支持，以便USB子系统可靠。此外，互操作性至关重要。仅仅因为两个设备符合USB规范并不一定意味着它们可以一起工作。

互操作性在汽车应用中起着关键作用，因为互操作性差会对用户满意度产生负面影响。USB端口已经发展成为汽车的一项备受瞩目的功能，在充电，播放音乐和与智能手机交互方面承担着越来越多的责任。在购买车辆时，人们通常会更了解他们连接手机和播放音乐的难易程度，而不是发动机的运行情况。

由于使用寿命延长，车辆不仅需要能够与当今几乎所有可用的智能手机、平板电脑和笔记本电脑进行互操作，还需要能够与未来几年发布的智能手机、平板电脑和笔记本电脑进行互操作。当您考虑到典型的智能手机每两年更换一次时，互操作性就更加重要。

此外，USB供电标准可能会随着时间的推移而发展，就像许多标准一样。例如，当前标准支持具有可编程电源 （PPS） 支持的供电 （PD） 3.0 和快速充电 （QC） 4.0。如果这些规格中的任何一个发生变化——事实上，USB Type-C和PD规格都在不断变化——车辆可能无法完全支持推向市场的新设备。

实现强大的互操作性的唯一方法是通过可编程USB控制器。使用可编程控制器，可以升级USB供电堆栈，以便与新设备进行互操作。由于汽车的许多部件都使用软件，驾驶员开始接受软件升级是标准做法。通常，这些升级对车主是透明的，因为技术人员通常在车辆被送去维修时从固件升级开始。

控制器具有嵌入式微处理器的事实并不一定意味着它支持可编程性。例如，固定功能的USB控制器不需要编程，并且可以以较低的成本获得。或者，可以使用可配置的控制器，该控制器提供有限数量的配置选项预编程到控制器中。

固定功能和可配置控制器非常适合消费电子设备（即USB鼠标）等应用，在这些应用中，产品的使用寿命预计最多只有几年，并且产品只需要与一组有限且定义明确的其他设备（即PC和笔记本电脑）进行互操作。但是，固定功能的 USB 控制器只能为有限数量的设备提供最佳质量。同样，如果可配置控制器上的可用设置与用户拥有的特定设备不匹配，则用户体验的质量将下降。像这样的互操作性问题只会随着规范的变化而变得更加普遍。

相比之下，可编程 USB 控制器可以让开发人员完全访问控制器的功能，从而最大限度地提高跨设备和用例的质量。使用反馈，控制器可以动态调整和调整其设置，以优化特定设备的性能。此外，如果引入新标准或出现不可预见的问题，USB控制器足够灵活，可以通过固件升级来解决这些问题。这使汽车原始设备制造商能够确保在车辆的整个生命周期内保持互操作性、质量和可靠性。

需要注意的是，开发人员无需直接对控制器进行编程即可访问其全部功能。开发人员可以使用高级开发工具来定义控制器的运行方式，而不是编写固件。然后，这些工具自动生成相应的固件。这些工具还简化了更新控制器的过程。

一些 USB 控制器制造商还承担管理与基于 USB 的新设备的互操作性以及适应规范更改的任务。这使汽车原始设备制造商不必投入工程资源来自己执行这些任务。

事实是，汽车USB控制器不是商品。考虑到当 USB 鼠标停止工作时，只需不到 10 美元即可更换。如果汽车中的USB端口停止工作，则可能需要昂贵的保修维修费用。因此，用于车辆的USB控制器必须满足更高的标准。产量必须远高于消费品。用于汽车应用的电子设备必须能够承受更热的工作温度。最后，汽车组件的使用寿命需要比传统消费电子应用更长;也就是说，商用控制器可能只在短时间内可用，而不是汽车OEM所需的10+年。

集成

设计具有更高功率输出的USB Type-C子系统的主要挑战之一是电源需要过压、过流、ESD和短路保护以及高压栅极驱动器。还需要电缆补偿，以确保车辆中保持长电缆上的信号质量。为了在车辆通常受限和环境极端的工作条件下支持可靠运行，必须基于温度的功率节流以防止过热和损坏。此外，OEM厂商希望在过渡到USB Type-C期间能够支持传统的USB Type-A设备。

电路保护：由于USB端口暴露在现实世界中，USB电路需要保护免受许多电气事件的影响。最常见的一种是静电放电（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四处走动或摩擦地毯会积聚电荷。如果他们触摸暴露的USB端口，它们可能会破坏车内难以维修且昂贵的敏感电子设备。

为了防止ESD，系统需要接地到屏蔽接地，以便能量可以安全地耗散。理想情况下，控制器具有集成的ESD保护。8 KV 触点和 15 KV 空气放电保护通常足以保护控制器免受 ESD 事件的影响。可以在PCB板上添加额外的ESD保护二极管，以进一步增强保护。

USB 端口还需要防止意外过压 （OV） 和过流 （OC） 事件。在设备充电期间，可能会发生 OV 和 OC 事件的常见实例。为了启动充电，设备和供电系统商定要使用的电流和电压。但是，如果系统开始提供错误的电压或电流，则可以触发过压保护（OVP）或过流保护（OCP）电路来保护器件。

短保护也是必要的。当电缆以一定角度拉出时，Vbus引脚可能会暂时短路到其中一个数字引脚。鉴于Vbus最高可达20 V，数字引脚容限为5 V，如此短路可能会损坏受影响的端口。与USB Type-A相比，USB Type-C端口的短保护更为重要。这是因为USB Type-C连接器将22个引脚（而Type-A为9个引脚）安装到更小的外形中，从而增加了Vbus短路的机会。

理想情况下，短路保护集成在USB控制器中。请注意，短路保护是可复位的，因此在短路时不会损坏控制器。相反，控制器会关闭以防止短路。然后可以重置它以恢复端口，使短暂事件只是一个暂时且可修复的问题，而不是导致店内维修。

高压栅极驱动器：为了支持向后兼容性，USB Type-C 连接器默认为 5 V。一旦确定了供电水平，控制器可能需要从5 V FET切换到20 V FET，以支持更高的功率输出。如果此功能未集成到控制器中，则需要额外的电路来驱动在 Vbus 上提供 20V 电压所需的更高功率 FET。

电缆补偿：为方便起见，USB 端口可能位于整个汽车中，例如前排主机、后排座椅之间的中央储物箱和手套箱。对于不仅仅支持供电（即数据功能）的USB端口，USB控制器很可能是信息娱乐系统的一部分。要将储物箱中的端口物理连接到信息娱乐系统，可能需要长达 10 英尺的 USB 电缆。使用如此长的电缆，将出现显着的压降，从而对信号质量和可靠性产生负面影响。

为了将信号质量保持在可靠的工作范围内，控制器可以采用补偿。简单来说，控制器中的固件调整输出电压以抵消电缆长度上的压降。这种补偿可以根据所用电缆的长度作为固定金额实施。或者，控制器可以通过定期监控接收到的信号并修改补偿调整来动态补偿压降。

基于温度的功率节流：实施USB Type-C的挑战之一是处理与提供高达100 W的功率相关的额外散热。 过热会导致许多问题，包括引发火灾和/或损坏正在充电的设备。附近对热敏感的组件，如信息娱乐或导航系统电子设备，也可能受到影响。过度散热甚至可能损坏USB端口本身，需要昂贵的服务或保修电话进行维修。

基于温度的功率节流是防止过热的有效方法。当接近热阈值时，位于敏感组件旁边的热传感器会向控制器发出警报。然后，控制器可以降低输送的功率。功率越小，热量就会越少，系统就可以冷却了。同时，连接的设备仍然可以充电，只是速度较慢。这种安全功能需要与控制器的微处理器集成，并且可以以对用户透明的方式实现。

传统的USB Type-A支持：虽然新设备将具有USB Type-C连接器，但仍会有数十亿台设备具有USB Type-A连接器。汽车原始设备制造商将需要提供USB Type-A端口来支持这些传统设备。控制器可以同时支持 A 型和 C 型端口，而不是实现两个独立的 USB 子系统。这些集成控制器简化了系统设计，同时最大限度地降低了总 BOM 成本。

实现这些功能对于确保电源可靠性是必要的，并且可能会大大增加车辆内USB Type-C和供电子系统的成本和占用空间。汽车市场的USB控制器旨在集成这些功能和其他功能。这可确保组件具有汽车级，可以很好地协同工作，降低成本并简化设计。减少必须组装的组件数量还可以通过减少故障点的数量来提高可靠性。

赛普拉斯一直是每一代USB技术的领先供应商。借助 EZ-PD USB-C CCG3P3 控制器，汽车 OEM 可以为其客户带来供电 3.0 和快速充电 4.0 的全部优势。CCG3PA 评估套件提供设计 USB Type-C 电源适配器/充电器和移动电源所需的所有支持，包括固件生成。

USB供电正迅速成为车辆的标准功能。为了保持与下一代便携式设备的互操作性，汽车需要支持USB Type-C连接器。从USB Type-A到USB Type-C的过渡将引入新功能，包括更快的充电速度。为了在车辆的整个生命周期内保持质量和互操作性，设计人员需要一个足够灵活的可编程控制器，以支持USB规范的变化，并根据这些规范与未来的设备进行互操作。通过将关键功能集成到控制器中以保护内部电子设备，OEM 可以确保可靠性，同时最大限度地降低系统成本。

审核编辑：郭婷