汽车USB Type-C电源解决方案

USB Type-C 是一种相对较新的高功率 USB 外围设备标准，用于计算机和便携式电子设备。USB Type-C 标准推动了 USB 供电规范的变化，允许从长期存在的 5 V USB 标准提高总线电压（高达 20 V）和电流输送能力（高达 5 A）。连接的 USB-C 设备可以相互识别并协商总线电压（从默认的 5 V USB 输出到几个更高的预设电压阶跃），以便在需要时实现更快的电池充电和更高的功率输出，最高可达 100 W。

电池充电器中使用的简单、紧凑的降压稳压器和线性稳压器在 500 mA 至 2 A 时只需要 USB 5 V，不足以覆盖 Type-C USB 电源的全部范围。Type-C USB 供电的电压范围增加，即 5 V 至 20 V，需要的不仅仅是从 9 V 到 36 V（或 60 V）汽车电池或其他充电源的降压转换。需要一个能够对输入至输出电压进行升压和降压的可调降压-升压转换器。

此外，对于高功率汽车USB充电器，降压-升压转换器应支持10 A或更高的峰值开关电流额定值，并提供低EMI性能。能够在AM无线电频段之外设置开关频率并保持较小的解决方案尺寸是广受欢迎的功能。高压单片转换器（带板载开关）无法在不烧毁的情况下维持如此高的峰值开关电流。

LT8390A是一款独特的2 MHz同步4开关降压-升压控制器。在 2 MHz 开关频率下，它可以提供 5 V 至 15 V 的输出电压（3 A 时高达 45 W），以通过汽车电池为连接的 USB-C 设备供电。这种高控制器开关频率使解决方案尺寸小、带宽高，EMI超出AM无线电频段。扩频频率调制和低 EMI 电流检测架构均有助于 LT8390A 应用通过严格的 CISPR 25 5 类汽车 EMI 标准。

高功率密度转换：尺寸（和功率）、效率、热量

在汽车或便携式电子环境中运行的稳压器系统的设计受到电路所需空间以及工作期间产生的热量的限制。这两个因素决定了在给定设计约束范围内运行时可实现的功率水平上限。

提高设计的开关频率允许使用更小的电感，这通常是宽输入电压4开关降压-升压稳压器设计中占板面积最大的元件。LT8390A的2 MHz开关频率能力允许使用比150 kHz或400 kHz设计小得多的电感器尺寸。完整的设计如图1所示。除了更小的电感外，该解决方案仅使用陶瓷输出电容器，无需笨重的电解电容器。如图1所示，该设计所需的所有元件（包括IC）都包含在一个1英寸见方的小尺寸内。

图1.高效、低 EMI USB Type-C 电源解决方案，适合 1“ 正方形。

图2显示了采用AEC认证元件的45 W LT8390A解决方案。如图3所示，该设计的最大温度较环境温度升高65°C。即使解决方案尺寸很小，LT8390A系统在提供45 W输出的同时仍具有94%的峰值效率，并且对于产生的每个输出电压，在输入范围内的效率偏差不到10%，如图4所示。

图2.这款LT8390A稳压器解决方案使用符合AEC标准的MOSFET、磁性元件和电容器，在可选的5 V、9 V或15 V低EMI输出下提供高达3 A的电流。

图3.在产生45 W输出功率的同时，该小型电路的最大温升仅比环境温度高65°C。

图4.LT8390A 稳压器系统在由汽车 SLA 电池供电时产生的所有输出电压范围内仍保持在 94% 至 84% 的效率范围内。

低 EMI 适用于汽车应用

LT8390A 具有几个独特的 EMI 抑制特性，可实现高功率转换和低噪声性能，从而简化了其在汽车系统中的实施。LT8390A 与其他 4 开关控制器之间的一个显著区别是电感器电流检测电阻器的位置。大多数 4 开关降压-升压型控制器倾向于使用以地为参考的电流检测方案来获取开关电流信息，而 LT8390A 则将其电流检测电阻器与电感器串联。通过将检测电阻与电感串联放置，可以有效地将其从降压和升压热回路中移除，从而缩小环路尺寸并改善EMI性能。

除了电感器检测电阻器放置的架构优势外，LT8390A 还具有内置扩频频率调制功能，以进一步降低控制器产生的 EMI。此外，降压和升压电源开关的开关边沿速率均得到控制，仅使用几个分立元件来减缓MOSFET的导通，从而确保电源开关中高频EMI降低和温升的适当平衡。凭借这些降低EMI的特性，满足CISPR 25合规性所需的唯一滤波由输入和输出上的小型铁氧体滤波器而不是大型铁氧体外壳和笨重的LC滤波器处理。图1所示的解决方案仅使用AEC-Q100元件设计。

无缝输出电压转换

LT8390A 的输出电压可在不关断转换器的情况下进行调节，方法是使用逻辑电平信号来驱动 MOSFET，MOSFET 将电阻分压器从输出端调节以改变设定电压。具有 GPIO 引脚的 USB PD 源控制器器件可与 LT8390A 系统结合使用，以促进主机和 USB 连接器件之间的协商过程，并设置所需的总线电压。

图5显示了LT8390A系统的输出如何平稳地从一个输出电压转换到另一个输出电压。当由12 V输入电源供电时，每次转换到增加的输出电压最多需要150 μs才能建立，从数字控制信号的上升沿开始测量。在输出电压的这些变化期间，降压-升压控制器会经历模式转换——在降压、升压和降压-升压操作之间——具体取决于输入与输出电压的关系。这些模式转换以受控方式执行，可防止输出电压过冲或下垂。

图5.LT8390A系统的输出在5 V、9 V和15 V输出之间平滑转换，同时保持向输出的连续功率输送。

扩展到 45 W 以上

要将输出功率电平推高到45 W以上，需要在较低的开关频率下工作，以减少开关损耗，否则可能会在此功率电平下对MOSFET产生热应力。作为LT8390A的替代产品，LT8390的工作频率范围为150 kHz至600 kHz，具有与LT8390A相同的功能集，可实现低EMI、高功率降压-升压设计。400 kHz LT8390系统采用更大的电感和输出电容，可轻松从汽车电池输入实现100 W的输出功率，并具有可接受的温升。图 6 示出了 LT8390A 和 LT8390 产品线在各种电池供电输入下的功率能力。

图6.LT8390A 和 LT8390 涵盖了用于 USB 供电的宽范围输出功率水平。

结论

用于为连接设备供电的稳压器的新USB标准通过增加稳压器可以提供的输出电压范围和电流传输，允许更高的功率传输。便携式和汽车电池供电的USB-C充电器设备需要宽V电压在/V外降压-升压稳压器，用于提供高于或低于输入电压的总线电压。LT8390A通过其2 MHz开关频率在小尺寸内提供高达45 W的输出功率。对于超过45 W的功率水平，LT8390可以采用稍大的解决方案尺寸和更低的开关频率。

审核编辑：郭婷