让您的汽车双USB Type-C与USB供电设计既酷又灵活

该设计解决方案回顾了设计具有USB供电系统的汽车双USB Type-C™所面临的挑战。模块温升必须低于40°C。 汽车电池电压波动很大。数据线必须得到充分保护，设计必须灵活且适应不同的外形尺寸。降压-升压控制器 IC 和保护 IC 芯片组可实现在允许的热限制内运行的小型灵活模块。

介绍

USB端口在汽车中无处不在。通过使用适当的电缆，许多便携式设备、智能手机和平板电脑都可以在旅途中充电。实现这些功能的电子模块必须安装在狭小的空间内，而不会过热。对于双端口专用充电解决方案，该问题会更加严重，该解决方案必须支持两个连接器，而不会增加组件数量和解决方案尺寸。为了应对这一挑战，USB 供电 （USB-PD） 标准使用标准电缆将可用功率从 15W（5V、3A）增加到 60W（20V、3A）。

双 USB 充电器必须符合 AEC-Q100 标准，并且必须符合 USB 规范。除了尺寸和温度挑战外，该解决方案不仅必须包括双传统USB枚举技术，还必须发出最小的EMI辐射，承受40V负载突降，并具有防止汽车磁场返回的保护。它还应该与采用启动/停止技术并在发动机启动时遇到较大电池电压骤降的车辆兼容。这会导致电池电压下降到远低于典型的12V，有时甚至6V或更低。

不同的车型需要不同的USB模块外形。因此，芯片制造商必须提供具有临时参考设计以及相关 Allegro 和/或 Gerber 文件的客户就绪解决方案。

该设计解决方案讨论了设计双USB-PD和保护系统的挑战，并提出了一种热效率高且易于根据不同平台要求进行定制的方法。

USB Type-C 带供电标准

具有供电功能的USB Type-C支持高数据速率和电子产品之间的更高功率传输。它可以提供 10Gbps 的吞吐量，同时通过标准电缆提供高达 3A 的电流，通过增强型电缆提供高达 5A 的电流。总线电压（V总线） 可调节至 20V（使用标准电缆时 3A 时为 60W，使用增强型电缆时可在 5A 时调节 100W）。

双 USB C 型，带供电功能

图 2显示了双 USB-PD 系统。对于汽车电池，充电时通常为 14V，在启动/停止期间降至最低 6V，供电电压可能在 5V 至 20V 之间变化。稳压器提供输出电压V的唯一可能选择总线通过使用降压-升压转换器。电荷仿真和保护IC接收PD控制器信号，并将其传递到USB Type-C连接器。

图2.降压-升压（橙色）供电和保护架构。

发热问题

USB充电器模块的散热规格很简单，其温度不能超过环境温度的40°C。

问题在于，功率输出的增加会导致更高的功率损耗，从而在OEM指定的USB模块尺寸内产生额外的热量。这种热量很难轻易去除。系统成本始终至关重要，塑料是模块最便宜的材料，但不利于传热。通风箱是一种低成本的选择，但这些功率水平有时需要散热，这会增加系统成本。最好的散热逸出方法是使用暴露在外部环境中的金属电连接器。但由于其暴露和功能，最终用户可能会触摸此组件。因此，出于对最终用户的安全考虑，必须限制PCB和连接器的温度。

降压-升压架构选择

热和功率损耗的管理在汽车应用中非常重要。使用低R的外部MOSFETDS（ON）低栅极电容将损耗降至最低。在具有 12V 输入的 60W 控制器设计中，MOSFET 的功率损耗因 H 桥中的位置而异。在一个示例中，最热的MOSFET的温升为39°C（见图5）。在24.5°C的环境温度下，PCB上最热的温度约为63.5°C。 MOSFET之间确实会发生相互加热，但由于电路板上的适当间距而减少了相互加热。必须在通孔间距和钻头尺寸之间取得良好的平衡，才能将热量从器件中排出，同时将对标准 FR-4 板的 EMI 影响降至最低。

相比之下，当所有四个MOSFET都集成在单个IC上时，例如在降压-升压转换器中，相互加热是一个大问题，因为耗散功率集中在非常小的区域内。在这种情况下，每个MOSFET的温升大致与所有耗散功率的总和成正比。这可能是控制器外壳估计量的两倍 （78°C）。在 24.5°C 的环境温度下，转换器解决方案中的连接器温度将更难管理！

外形尺寸

控制器的高集成度及其在足够高的频率下工作的能力，可以在不显著影响效率的情况下减少外部无源器件（电感和电容器），这是减小整体解决方案尺寸的关键。小型解决方案更具成本效益，并且更容易适应汽车制造商所需的不同外形尺寸。最后，IC制造商提供临时解决方案的能力，包括PCB、Allegro和/或Gerber文件，对于帮助客户满足其生产窗口至关重要。

高度集成的控制器

例如，MAX25431为电流模式降压-升压控制器（图3）。该器件采用 6V 至 36V 的输入电压工作。开关频率可通过电阻在 220kHz 至 2.2MHz 范围内设置，并可同步至一个外部时钟。宽输入电压范围，以及在电池瞬变期间保持恒定输出电压的能力，使该器件成为汽车应用的理想选择。施加到逻辑输入 （FSYNC） 的外部频率允许器件在固定频率、强制 PWM 模式下工作，以消除频率变化并有助于最大限度地降低 EMI。保护功能包括持续过载期间的逐周期电流限制和打嗝、输入欠压锁定 （UVLO）、输出过压保护和带自动恢复功能的热关断。MAX25431采用小型4mm x 4mm、24引脚TQFN-EP SW封装。

图3.降压-升压应用图。

更高的效率

在图4中，IC提供3.5A电流，峰值效率为98%。与竞争对手的解决方案相比，降压-升压控制器具有2%的优势，这在该应用中非常关键。

图4.高效曲线和比较。

低温升

图5显示了V下的PCB温度分布外= 20V，I港口= 3A，η = 96.29%，开关频率为 440kHz，总输出功率为 PD= 2 x 60W（每个降压-升压为 60W）。

图5.120W PD解决方案热图。

温升最多为：

ΔT = 63.5 – 24.5 = 39°C

卓越的效率和适当的PCB设计即使在这种非常极端的条件下也能将温升保持在40°C以下。

体积小

高度集成的控制器可提供仅 2508mm 的解决方案2面积（图 6），比最接近的竞争对手解决方案好 17%。

图6.电路板尺寸小。

USB-PD 保护

与降压-升压控制器相辅相成的是MAX25410。该 IC 是一款汽车 USB-PD 端口保护器解决方案，适用于汽车无线电、导航、连接和 USB 集线器/多媒体模块应用。该器件为USB Type-C连接器上的CC1、CC2、D+和D-信号提供单芯片汽车USB-PD保护解决方案。该 IC 还提供具有高级故障管理的 VCONN 开关，无需专用电源。器件保护功能包括 ±15kV IEC 61000-4-2、ISO 10605 ESD 和短路至 V总线（24V） 在受保护的 HVCC1、HVCC2、HVD+ 和 HVD 引脚上。该器件还集成了 BC1.2 电荷检测 CDP、DCP 或直通 （SDP） 模式。该 IC 采用小型 4mm x 4mm 16 引脚 TQFN 封装。

双 USB C 型供电和保护模块

降压-升压解决方案和保护IC集成在USB-PD和保护模块中。图7所示为120W高效、小尺寸供电模块。

图7.120W高效、小尺寸供电模块。

结论

USB-PD 标准可通过标准电缆实现高达 60W 的功率传输，这增加了设计汽车双 USB 模块的风险，因为允许的 40°C 温升更难实现。在信号侧，数据线必须得到充分保护，同时支持电荷仿真和电荷检测。该模块必须易于设计，并根据不同的客户平台要求快速重新配置。在讨论了各种挑战之后，我们介绍了基于降压-升压控制器IC和保护IC的高度集成芯片组。我们展示了，使用此芯片组，模块温升控制在允许的范围内。其小尺寸使该模块具有成本效益，并且易于适应汽车制造商所需的不同外形尺寸。临时解决方案的可用性，包括 PCB、Allegro 和/或 Gerber 文件，有助于满足关键的客户生产期限。

审核编辑：郭婷