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汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護

發(fā)布時間:2021-02-02 來源:Trevor Crane 和 Tao Tao 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。乘客越來越習慣于通過車輛的電氣系統(tǒng)來為智能手機(或其他便攜式設(shè)備)充電,并反過來利用這些設(shè)備來豐富車輛信息和娛樂功能。為了同時支持電源和數(shù)據(jù)能力,并且適應(yīng)不斷快速變化的便攜式設(shè)備市場,USB充電端口必須滿足與電源、數(shù)據(jù)傳輸和魯棒性相關(guān)的各種系統(tǒng)要求,即使面對現(xiàn)實中的種種危險情況。
 
便攜式設(shè)備電池充電——包括支持廣泛的設(shè)備充電協(xié)議的能力,例如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)和各種常見專有協(xié)議——僅僅是對USB充電端口的眾多要求中的一部分。其他要求包括維護高速USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柾暾?,以及保護USB主機免受汽車環(huán)境中常見危險狀況的影響。此外,小尺寸解決方案和低電磁輻射是滿足日益復(fù)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(shè)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(guān)變換器從電池產(chǎn)生5 V電壓為VBUS供電。此處顯示的USB充電端口仿真器和功率開關(guān)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(shè)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(yīng)商專有充電器仿真協(xié)議等)實現(xiàn)快速充電。其次,USB功率開關(guān)用作限流器和開關(guān),可檢測和限制總線電流。最后,端口控制器支持所連接設(shè)備與USB主機之間進行USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸。
 
由于USB端口處于惡劣的汽車環(huán)境中,因此必須對敏感的USB電路加以保護,使其免受各種現(xiàn)實危害的影響,例如插座的靜電放電(ESD)事件和線纜故障事件,這些事件可能會使受影響的線路遭受遠超過其正常工作值的電壓。
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖1.汽車USB充電器框圖
 
圖2顯示了一個汽車USB電源系統(tǒng)的簡化框圖,該系統(tǒng)將許多電源、端口和保護功能結(jié)合到一個IC中。在本例中, LT8698S 將開關(guān)變換器和功率開關(guān)的功能集成到4mm×6mm的封裝中,同時提供能抵御ESD事件和線纜故障的強大數(shù)據(jù)線保護。
 
圖示的集成充電器解決方案包含了在USB端口和便攜式設(shè)備之間獨立執(zhí)行USB BC 1.2 CDP協(xié)商序列的所有必需硬件,使得CDP兼容設(shè)備能夠從VBUS汲取高達1.5 A的電流,同時能與主機進行高速通信。
 
線纜壓降補償
 
當USB插座與控制器的物理距離較遠時,例如USB插座位于車輛后部,而USB主機位于儀表板中,那么線纜壓降補償可使VBUS軌保持精確的5 V穩(wěn)壓狀態(tài)。LT8698S具有可編程線纜壓降補償功能,可在USB插座上執(zhí)行出色的調(diào)節(jié),而無需額外的開爾文檢測線路。
 
圖3顯示了線纜壓降補償?shù)墓ぷ髟怼UT/ISP和BUS/ISN引腳之間連接一個檢測電阻RSEN,該電阻串聯(lián)在穩(wěn)壓器輸出和負載之間。LT8698S在其RCBL引腳上通過RCBL接地電阻產(chǎn)生46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL的電流源。此電流與通過連接在穩(wěn)壓器輸出和USB5V引腳之間的RCDC電阻流入USB5V引腳的電流相同。這會在RCDC電阻兩端產(chǎn)生一個高于5 V USB5V反饋引腳的電壓偏移,其與RCDC/RCBL電阻比成比例。結(jié)果,LT8698S根據(jù)負載電流將BUS/ISN引腳調(diào)節(jié)到一個高于負載目標5V的點(最大限值為6.05V),以維持插座VBUS引腳的精確調(diào)節(jié)。
 
線纜壓降補償消除了從穩(wěn)壓器連接額外的一對開爾文檢測線路到遠端負載的需要,但要求系統(tǒng)設(shè)計人員知道線纜電阻RCABLE,LT8698S不會檢測此值。設(shè)置線纜壓降補償?shù)脑梢岳孟率竭x擇:RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE。線纜電阻會隨溫度而變化,要在很寬的溫度范圍內(nèi)獲得更好的整體輸出電壓精度,可以添加一個負溫度系數(shù)(NTC)電阻作為RCBL的一部分,使線纜壓降補償隨溫度而變化。
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖2.圍繞單IC USB控制器解決方案構(gòu)建的汽車USB電源系統(tǒng)的簡化框圖
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖3.線纜壓降補償工作原理
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖4.LT8698S/LT8698S-1的強大保護功能
 
針對汽車環(huán)境提供強大保護
 
汽車環(huán)境存在多種危害,為此必須保護USB主機。這些危害包括線纜故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)線承受電池電壓或接地,以及USB插座處的大ESD沖擊。圖4顯示了如何保護USB主機免受這些危害影響。
 
LT8698S的HD+和HD–引腳可承受高達20 VDC,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,同時也能保護主機免受這些惡劣狀況的影響。此外,USB5V、OUT/ISP和BUS/ISN引腳可承受輸出電壓故障,包括高達42 V的直流電壓。發(fā)生輸出故障時,閂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需要數(shù)據(jù)線上有外部鉗位二極管或電容來提供ESD保護(這會增加成本和材料,同時可能降低信號完整性),但LT8698S不需要。
 
數(shù)據(jù)線開關(guān)不僅能夠承受前面所說的直流故障和ESD事件,而且有助于實現(xiàn)出色的信號完整性。具體說來,HD+和HD–引腳的–3 dB帶寬為480 MHz(典型值),這已經(jīng)過生產(chǎn)測試。圖5顯示了根據(jù)USB 2.0規(guī)范在測試平面2的演示板上測得的高速傳輸眼圖。該圖顯示其符合USB模板1、測試平面2限值,并且有充足的裕量。
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖5.在演示板上測得的高速USB 2.0眼圖。所示為模板1要求。
 
兼容并支持廣泛的充電器特性
 
本例中使用的控制器IC與多種USB連接器類型和充電器特性兼容,如表1所示。我們來看一下單個控制器在USB Type-C 5 V、3 A解決方案(15 W)中如何工作。
 
圖6顯示了具有線纜壓降補償?shù)腢SB 5 V、3 A VBUS穩(wěn)壓器的原理圖。此電路選擇8 mΩ的RSEN電阻值來支持高達3 A的輸出電流,SYNC/MODE引腳接地以使能跳脈沖工作模式,降低輕載電流時的開關(guān)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,支持大電流充電能力。當用作DCP端口時,D+和D–線路短接,沒有數(shù)據(jù)傳輸。
 
許多便攜式設(shè)備制造商開發(fā)了專有充電器協(xié)議。同樣的,這些廠商專有的充電器協(xié)議以及對應(yīng)的最大充電電流(如2.0 A、2.4 A、2.1 A和1.0 A)也受支持。主機微控制器可以通過控制三個SEL引腳來實現(xiàn)這些充電器協(xié)議。
 
圖7顯示了2.4 A/1.5 A USB充電器的原理圖。在此應(yīng)用中,微控制器利用LT8698S STATUS引腳和IMON電流監(jiān)控器提供的信息,通過控制SEL1-3輸入引腳來選擇所需的充電器協(xié)議。這樣,微控制器就能優(yōu)化便攜式設(shè)備的充電特性,從而以盡可能大的電流安全充電。
 
表1.LT8698S/LT8698S-1與多種USB連接器類型、充電器協(xié)議和數(shù)據(jù)接口的兼容性
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖6.5 V、3 A、USB type-C應(yīng)用
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖7.帶電流監(jiān)控器的2.4 A/1.5 A自動協(xié)議檢測充電器
 
EMI解決方案
 
汽車電子系統(tǒng)電源的一項關(guān)鍵要求是低EMI,通常需要滿足CISPR 25 5類排放標準。LT8698S采用Silent Switcher® 2技術(shù)進行設(shè)計,使得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、效率和魯棒性。
 
Silent Switcher 2架構(gòu)在LQFN封裝內(nèi)部集成了旁路電容,以將EMI降至最低。旁路電容的集成簡化了電路板設(shè)計,減少了整體解決方案的尺寸,同時盡可能地降低了PCB布局對EMI性能的影響。 LT8698S-1不含這些內(nèi)部旁路電容,其他方面與LT8698S完全相同。通過向SYNC/MODE引腳施加高于3.0 V的直流電壓,這兩款器件便都能提供可選的展頻調(diào)制。圖8顯示了LT8698S在典型應(yīng)用條件下的輻射EMI性能。
 
LT8698S和LT8698S-1能以300 kHz至3 MHz的可程式化和可同步開關(guān)頻率工作。較高開關(guān)頻率允許使用較小的電感和電容值,以減小整體解決方案的尺寸。圖9顯示,即使在2 MHz的較高開關(guān)頻率下,這種12 V至5 V USB解決方案也能實現(xiàn)93%的效率。
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖8.輻射EMI性能(CISPR 25電磁輻射干擾,使用峰值檢波器,5類峰值限制)
 
汽車USB 2.0和5 V Type-C解決方案提供充電和穩(wěn)健的數(shù)據(jù)線保護
圖9.5 V USB解決方案的效率和功率損耗曲線。
 
結(jié)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)境中的各種現(xiàn)實危險事件,必須在電源、數(shù)據(jù)傳輸支持和魯棒性方面應(yīng)對各種系統(tǒng)挑戰(zhàn)。本文介紹的采用LT8698S USB充電器IC的示例解決了這些挑戰(zhàn)。它們支持各種便攜式設(shè)備充電器協(xié)議,并能為USB type-C充電應(yīng)用提供高達15 W的輸出功率。此外,它們還能保護USB主機免受潛在的危險情況影響,例如線纜故障和嚴重ESD事件。LT8698S在提供這種保護的同時,還能保持USB主機與便攜式設(shè)備之間高速USB數(shù)據(jù)傳輸所需的信號完整性。最后,Silent Switcher 2架構(gòu)可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。
 
 
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