深入剖析 TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1：汽車 USB 充電端口的理想之選

在電子工程師的日常工作中，為汽車 USB 充電端口選擇合適的控制器是一項關鍵任務。德州儀器（TI）推出的 TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1 這兩款器件，無疑為我們提供了高性能、可靠且功能豐富的解決方案。下面我將為大家詳細剖析這兩款器件的特性、應用及相關設計要點，希望能幫助大家在實際項目中更好地運用它們。

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器件特性

1. 汽車級標準與 EMI 優(yōu)化

這兩款器件符合面向汽車應用的 AEC-Q100 標準，溫度等級 1 的 $T_{A}$ 范圍為 –40°C 至 +125°C，HBM ESD 分類等級 H2，CDM ESD 分類等級 C5，能在嚴苛的汽車環(huán)境中穩(wěn)定工作。同時，它們針對超低 EMI 要求進行了優(yōu)化，符合 CISPR25 5 類標準，HotRod? 封裝可最大限度地減少開關節(jié)點振鈴，展頻技術可降低峰值發(fā)射，為系統(tǒng)的電磁兼容性提供了保障。

2. 高效同步降壓穩(wěn)壓器

同步降壓穩(wěn)壓器在 400 KHz 下具有高效率，當 $V{IN}=12 ~V$、$I{PABUS}=3 ~A$ 且 $I{PBBUS}=2.4 ~A$ 時，效率可達 95%。其 18mΩ/10mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 降壓穩(wěn)壓器 MOSFET，工作電壓范圍為 5.5V 至 26V，可承受 36V 輸入，頻率可在 200kHz 至 800kHz 之間調節(jié)，并且采用了具有展頻頻譜抖動的 FPWM，可選輸出電壓有 5.1V、5.17V、5.3V、5.4V 等，為設計帶來了更多靈活性。

3. 高精度可編程電流限制與其他功能

內部電源路徑采用 7mΩ/7mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 內部 USB 功率 MOSFET，USB 端口具有高精度可編程電流限制，在 3.4A 下為 ±10%。此外，OUT 引腳可用于輔助負載的 5.1V、200mA 電源，還具備線路壓降補償功能，在 2.4A 負載下為 90mV。同時，它們符合 USB-IF 標準 Type-C 1.3 版，在 CC 上具有 3A 電流通告能力，支持 $V{BUS}$ 應用和放電。TPS25868-Q1 具有自動 DCP 模式，符合 BC1.2 和 YD/T 1591 2009 要求；TPS25869-Q1 則具備故障標志報告和 USB 端口開/關控制功能。

器件應用

這兩款器件主要應用于汽車 USB 充電端口和汽車 USB 媒體中心，能夠將汽車電池的直流電壓轉換為 5V 直流電壓，為便攜式設備提供充電和供電功能，滿足了汽車電子系統(tǒng)中對 USB 充電的需求。

器件詳細說明

1. 集成式解決方案

TPS2586x-Q1 是高度集成的 USB 充電控制器系列，適用于 Type-C 和 Type-A 雙端口應用。它集成了一個具有內部功率 MOSFET 的單片、同步、整流、降壓開關模式轉換器和兩個具有充電端口自動檢測功能的 USB 限流開關，能夠在寬輸入電源電壓范圍內實現(xiàn)出色的負載和線路調節(jié)。

2. 輸出電壓設置與電纜補償

該系列器件提供四種可選的 USB 輸出電壓設置，可通過 VSET 引腳連接不同電阻來實現(xiàn)。同時，它集成了一個精密電流檢測放大器，用于實現(xiàn)電纜壓降補償，僅在輸出電壓設置為 5.17V 時可用，在輸出電流為 2.4A 時，電纜補償電壓為 90mV，可抵消汽車電纜布線中的導線電阻引起的壓降，使便攜式設備在重載下能實現(xiàn)更理想的電流和電壓充電。

3. 安全特性

TPS2586x-Q1 針對 USB 充電和系統(tǒng)運行提供了多種安全特性，包括外部負熱敏電阻監(jiān)控、逐周期電流限制、斷續(xù)短路保護、欠壓鎖定、BUS 過流、OUT 過流以及裸片過熱保護等，有效保障了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

設計要點與應用示例

1. 設計要求與參數(shù)選擇

在設計過程中，需要根據(jù)具體的應用需求選擇合適的參數(shù)。例如，輸入電壓典型值為 13.5V，范圍為 8V 至 18V；輸出電壓設置為 5.17V；最大輸出電流為 6A；開關頻率推薦在 250 - 400KHz 范圍內選擇，以實現(xiàn)高效率。

2. 詳細設計步驟

• 輸出電壓設置：通過 VSET 引腳編程輸出電壓，短接 VSET 到 GND 可設置為 5.17V 并啟用電纜補償功能。
• 開關頻率選擇：開關頻率的選擇需要在轉換效率和整體解決方案尺寸之間進行權衡。較低的開關頻率可降低開關損耗，提高系統(tǒng)效率；較高的開關頻率則允許使用更小的電感和輸出電容，使設計更緊湊。在本例中，選擇 400KHz 的開關頻率。
• 電感選擇：根據(jù)所需的峰 - 峰紋波電流 $Delta i{L}$ 計算電感值，一般選擇 $K{IND}$ 在 20% 至 40% 之間，在本設計示例中選擇 $K_{IND}=0.3$，計算得到電感值約為 3.58μH，最終選擇標準值 3.3μH。
• 輸出電容選擇：輸出電容的選擇需考慮其對穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波、環(huán)路穩(wěn)定性以及負載電流瞬變時電壓過沖/欠沖的影響。根據(jù)負載瞬態(tài)要求，選擇合適的電容值和類型，在本示例中選擇 3 × 47 - μF 陶瓷電容以實現(xiàn)良好的瞬態(tài)性能。
• 輸入電容選擇：需要使用高質量的陶瓷電容作為高頻輸入去耦電容，推薦使用 X5R 或 X7R 類型，額定電壓至少為應用所需的最大輸入電壓，最好為最大輸入電壓的兩倍。同時，可根據(jù)需要并聯(lián)一個電解電容，以提供對電纜或走線電感引起的電壓尖峰的阻尼作用。
• 其他組件選擇：還需要合理選擇自舉電容、欠壓鎖定設置點、電纜補償設置點和 FAULT 電阻等組件，以確保系統(tǒng)的正常運行。

3. 典型應用電路與曲線

文檔中給出了 TPS25868-Q1 用于雙 Type - A 和 Type - C 充電端口以及 TPS25869-Q1 用于媒體 HUB 的典型應用原理圖，并提供了一系列應用曲線，如效率曲線、負載調節(jié)曲線、線路調節(jié)曲線等，這些曲線為我們在實際設計中評估器件性能提供了重要參考。

電源供應與布局建議

1. 電源供應

輸入電源必須能夠承受最大輸入電流并保持穩(wěn)定的電壓。如果通過長電線或 PCB 走線連接到 TPS2586x-Q1，可能需要額外的大容量電容。同時，要避免輸入電壓低于輸出電壓，必要時可在輸入電源和輸出之間使用肖特基二極管。

2. 布局指南

PCB 布局對 TPS2586x-Q1 的性能至關重要。需要遵循一些布局指南，如將輸入旁路電容盡可能靠近 VIN 和 PGND 引腳，使用中間層的接地平面進行噪聲屏蔽和散熱，確保反饋和使能組件的單點接地，縮短 SW 引腳與電感的連接長度等，以實現(xiàn)最佳的功率轉換性能、熱性能和最小的 EMI 產生。

總結

TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1 這兩款器件憑借其豐富的特性、可靠的性能和出色的集成度，為汽車 USB 充電端口設計提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，電子工程師們需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)和組件，并遵循正確的設計和布局原則，以確保系統(tǒng)的可靠性和性能。大家在使用這兩款器件的過程中，是否也遇到過一些獨特的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經(jīng)驗和見解。