汽車USB 2.0和5V Type-C解決方案用于充電和強大的數(shù)據(jù)線保護
作者：Trevor Crane and Tao Tao
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。乘客越來越習慣于將車輛的電氣系統(tǒng)連接到智能手機（或其他便攜式設備）上，反之，將這些設備用于各種車輛信息和娛樂功能。為了同時支持電源和數(shù)據(jù)功能，并在不斷變化的便攜式設備市場中實現(xiàn)適應性，USB 充電端口必須滿足各種系統(tǒng)要求，包括電源、數(shù)據(jù)傳輸和面對現(xiàn)實世界危險事件的魯棒性。
便攜式設備電池充電（包括支持各種設備充電器配置文件（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） 和常見專有配置文件）的能力，只是對 USB 充電端口的各種需求的一部分。其他要求包括保持高速USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">信號完整性，以及保護USB主機免受汽車環(huán)境中常見的危險條件的影響。此外，小解決方案尺寸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，其中開關穩(wěn)壓器從電池到電源V產生5 V電壓總線.此處所示的USB充電端口仿真器和電源開關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 和供應商專有的充電器仿真配置文件）實現(xiàn)快速充電。其次，USB電源開關充當限流器和開關，感測和限制總線電流。最后，端口控制器支持連接設備和USB主機之間的USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸。
由于USB端口存在于惡劣的汽車環(huán)境中，因此必須保護敏感的USB電路免受許多實際危害的影響，例如插座上的靜電放電（ESD）事件和電纜故障事件，這些事件可能會使受影響的接線暴露于遠遠超出其正常工作值的電壓下。
圖1.汽車USB充電器框圖。
圖2顯示了汽車USB電源系統(tǒng)的簡化框圖，該系統(tǒng)將許多電源、端口和保護功能集成到單個IC中。在這種情況下，LT8698S將開關穩(wěn)壓器和電源開關的功能集成到4 mm×6 mm封裝中，同時針對ESD事件和電纜故障提供強大的數(shù)據(jù)線保護。
通過所示的集成充電器解決方案，包括獨立執(zhí)行 USB 端口和便攜式設備之間的 USB BC 1.2 CDP 協(xié)商序列所需的所有硬件，允許符合 CDP 標準的設備從 V 吸收高達 1.5 A 的電流總線同時與主機高速通信。
電纜壓降補償
電纜壓降補償可保持精確的 5 V 電壓調節(jié)總線當 USB 插座與控制器物理距離時，例如，USB 插座位于車輛后部，USB 主機位于儀表板中。LT8698S 具有可編程電纜壓降補償功能，可在 USB 插座上提供出色的調節(jié)性能，而無需額外的開爾文檢測線。
圖 3 顯示了電纜壓降補償?shù)?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/773/" target="_blank">工作原理。一個檢測電阻，R森，在穩(wěn)壓器輸出和負載之間串聯(lián)的 OUT/ISP 和總線/ISN 引腳之間。LT8698S 產生 46 × （V輸出/ISP– V巴士/ISN）/R煤層電在其 R煤層電引腳穿過 R煤層電電阻接地。該電流與通過R流入USB5V引腳的電流相同疾病預防控制中心電阻連接在穩(wěn)壓器輸出和USB5V引腳之間。這會在 R 兩端產生電壓偏移疾病預防控制中心電阻，高于 5 V USB5V 反饋引腳，與 R 成比例疾病預防控制中心/R煤層電電阻比。因此，LT8698S將BUS/ISN引腳調節(jié)到高于負載目標5 V（最大限值為6.05 V）的點，與負載電流成比例，以保持插座V的精確調節(jié)總線針。
電纜壓降補償消除了從穩(wěn)壓器到遠程負載的額外開爾文檢測線的需要，但需要系統(tǒng)設計人員知道電纜電阻，R電纜—LT8698S 無法檢測此值。用于編程電纜壓降補償?shù)慕M件可以使用以下公式選擇：R煤層電= 46 × R森×·疾病預防控制中心/R電纜.由于電纜電阻隨溫度變化，為了在很寬的溫度范圍內實現(xiàn)更好的整體輸出電壓精度，可以通過添加負溫度系數(shù)（NTC）電阻作為R的一部分來進行電纜壓降補償，使其隨溫度變化煤層電.
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.電纜壓降補償?shù)墓ぷ髟怼?/strong>
圖4.LT8698S/LT8698S-1 的穩(wěn)健保護功能。
為汽車環(huán)境提供強大的保護
汽車環(huán)境存在許多危險，必須保護USB主機免受這些危害。這些危險包括導致數(shù)據(jù)線暴露于電池電壓或接地的電纜故障，以及USB插座上的大ESD撞擊。圖 4 顯示了如何保護 USB 主機免受這些危害。
LT8698S 的高清和高清+–引腳可承受高達 20 V 的電壓直流并阻止高達 8 kV 的接觸放電和 15 kV 的空氣放電 IEC 61000-4-2 ESD 事件，同時保護主機免受這些惡劣條件的影響。此外，USB5V、輸出/ISP 和總線/ISN 引腳可承受輸出電壓故障，包括高達 42 V 的直流電壓。在發(fā)生輸出故障時，閉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 需要在數(shù)據(jù)線上使用外部箝位二極管或電容器來實現(xiàn) ESD 保護，這會增加成本和材料，同時可能會降低信號完整性，但 LT8698S 則不需要。
盡管如前所述，數(shù)據(jù)線開關能夠承受直流故障和ESD事件，但它們也支持出色的信號完整性。具體來說，高清和高清的–3 dB帶寬+–引腳為 480 MHz（典型值），經過生產測試。圖5顯示了根據(jù)USB 2.0規(guī)范在測試平面2的演示板上測量的高速發(fā)射眼圖。此圖顯示了符合 USB 模板 1、測試平面 2 限制和大量裕量的情況。
圖5.在演示板上測量的高速USB 2.0眼圖。顯示模板 1 要求。
兼容性和支持各種充電器配置文件
此處示例中使用的控制器 IC 與多種 USB 連接器類型和充電器配置文件兼容，如表 1 所示。讓我們看看單個控制器解決方案如何在USB Type C 5 V、3 A解決方案（15 W）中工作。
圖6顯示了USB 5 V/3 A V的原理圖總線帶電纜壓降補償?shù)姆€(wěn)壓器。在該電路中，R森選擇8 mΩ電阻值以支持高達3 A的電流，SYNC/MODE引腳接地以啟用脈沖跳躍工作模式，從而降低輕負載電流下的開關頻率和靜態(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，以實現(xiàn)高電流充電能力。用作 DCP 端口時，D 和 D+–行被短接在一起，并且沒有數(shù)據(jù)傳輸。許多便攜式設備制造商已經開發(fā)了專有的充電器協(xié)議。此外，還支持這些供應商專有的充電器配置文件和相關的最大充電電流，例如 2.0 A、2.4 A、2.1 A 和 1.0 A。主機微控制器可以通過控制三個 SEL 引腳來實現(xiàn)這些充電器配置文件。
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)視器提供的信息，通過控制 SEL1–3 引腳輸入引腳來選擇所需的充電器配置文件。通過這種方式，微控制器可以優(yōu)化便攜式設備的充電器配置文件，以便在盡可能高的電流下安全充電。
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| USB 2.0 A 型 | USB 3.x A 型 | USB Type-C | |||
| 引 腳： |
V總線， 接地， D+， D |
引 腳： |
V總線， 接地， D+， D |
引 腳： |
V總線， 接地， D+， D |
| 權力： |
5 V， 1.5 A， BC 1.2 5 V， 2.4 A， 蘋果 iPad |
權力： |
5 V， 1.5 A， BC 1.2 |
權力： |
5 V， 1.5 A， BC 1.2 5 V， 3 A， C 型 |
| 數(shù)據(jù) |
USB 2.0， 480 Mbps |
數(shù)據(jù)： |
USB 2.0， 480 Mbps |
數(shù)據(jù)： |
USB 2.0， 480 Mbps |
圖6.5 V、3 A、USB C 型應用。
圖7.帶電流監(jiān)視器的 2.4 A/1.5 A 自動配置文件檢測充電器。
電磁干擾解決方案
低EMI是汽車電子系統(tǒng)中電源的關鍵要求，通常預計這些電源應符合CISPR 25 5類輻射標準。LT8698S采用靜音開關2技術設計，使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、效率和穩(wěn)健性。?
靜音開關 2 架構在 LQFN 封裝內集成了內部旁路電容器，配置為將 EMI 降至最低。旁路電容器的集成簡化了電路板設計，減少了整體解決方案的占板面積，同時最大限度地降低了PCB布局對EMI性能的影響。LT8698S-1 不包括這些內部旁路電容器，但在其他方面與 LT8698S 相同。通過在SYNC/MODE引腳施加高于3.0 V的直流電壓，兩款器件還提供可選的擴頻頻率調制。圖8顯示了LT8698S在典型應用條件下的輻射EMI性能。
LT8698S和LT8698S-1可在300 kHz至3 MHz范圍內以可編程和可同步的開關頻率工作。 開關頻率越高，電感和電容值越小，總解決方案尺寸就越小。圖9顯示，即使在2 MHz的相對較高的開關頻率下，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輻射發(fā)射，帶峰值檢測器和5類峰值限制）。
圖9.5 V USB解決方案的效率和功耗曲線。
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)境中預期的實際危險事件，必須應對電源、數(shù)據(jù)傳輸支持和魯棒性方面的各種系統(tǒng)挑戰(zhàn)。此處所示的示例使用 LT8698S USB 充電器 IC，可應對這些挑戰(zhàn)。它們支持各種便攜式設備充電器配置文件，可為 USB Type-C 充電應用提供高達 15 W 的輸出功率。此外，它們還可以保護 USB 主機免受電纜故障和嚴重 ESD 事件等潛在危險條件的影響。LT8698S 在提供這種保護的同時，保持了 USB 主機和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，靜音開關2架構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。
審核編輯：郭婷
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