隨著便攜式電子產品的廣泛采用和使用，用戶能夠在駕駛時在汽車中為設備充電變得越來越重要。USB的供電功能使設備充電對用戶來說非常方便。此外，USB的高數據速率使下一代信息娛樂系統能夠支持廣泛的車載功能，例如音頻播放，屏幕和應用程序共享，數據連接等。

傳統的USB Type-A連接器已經在所有主要汽車原始設備制造商的型號中提供，提供高達7.5 W的功率能力（5 V時高達1.5 A的電流）。然而，隨著 USB Type-C 連接器在 PC、智能手機和其他便攜式電子設備中的迅速采用，USB Type-A 正迅速成為傳統連接器：USB Type-C 半導體市場預計將在 2022 年達到 9 億以上（來源：Gartner 2018 和賽普拉斯估計）。

USB Type-C 連接器提供比 USB Type-A 連接器更緊湊的外形，具有通用連接、可逆插頭方向和可逆電纜方向的額外優勢。它還支持更高的功率輸出，高達 100 W（20 V 時高達 5 A）。能夠提供比 7.5 W 大得多的功率，從而實現引人注目的新使用模式，包括更快的充電速度以及同時為汽車中越來越多的有源設備（包括平板電腦、筆記本電腦甚至電動剃須刀）充電的能力。

然而，在車輛中實現具有下一代供電功能的USB Type-C不僅僅涉及增加端口的電壓和電流。它還需要一種不同于基于 USB 的商品級和消費級產品的典型設計方法。本文探討了如何在車輛中使用 USB、USB Type-C 和供電控制器所需的功能、互操作性影響以及使用 USB Type-C 進行設計時要考慮的關鍵因素。

電力輸送的重要性

我們世界的快節奏意味著我們需要能夠更快、更頻繁地為設備充電。例如，在 100 W 的功率輸出下，銷售人員可以在會議之間的 15 分鐘車程內為筆記本電腦和手機充電。同樣，父母可以確信他們的手機 - 以及孩子的平板電腦 - 不會在長途旅行中耗盡電量。

更高的功率輸出是車載USB的關鍵。當然，用戶可以使用USB Type-C到Type-A適配器使用傳統端口為新手機充電。但是，他們不會獲得USB Type-C的全部好處。相反，他們的下一代手機能夠快速充電，將限制在USB Type-A提供的最大7.5 W。顯然，全功率輸送的可用性將在客戶滿意度和區分車型方面發揮重要作用。

汽車OEM不太可能需要為車輛中的每個USB Type-C端口提供完整的100 W。為了在不顯著影響充電時間或可靠性的情況下降低成本，可以在端口之間共享單個 100 W 電源，稱為動態負載分配。例如，USB Power Delivery 控制器和固件中的智能可以將其中一個 USB Type-C 端口的功率降至 60 W，因此當設備插入時，它可以為第二個端口提供 40 W。

USB C 型和供電控制器

為了處理USB Type-C和PD協議的復雜性，這些控制器將嵌入式微處理器與PD控制器邏輯集成在一起。通常，此微處理器的固件將由控制器制造商提供，可以是可下載文件，也可以是由開發環境生成。

如果 OEM 希望在車輛的長使用壽命內提供強大的解決方案，那么獲得 USB 認證只是最低要求。控制器還應由經過現場驗證的成熟軟件堆棧提供支持，以便USB子系統可靠。此外，互操作性至關重要。僅僅因為兩個設備符合USB規范并不一定意味著它們可以一起工作。

互操作性在汽車應用中起著關鍵作用，因為互操作性差會對用戶滿意度產生負面影響。USB端口已經發展成為汽車的一項備受矚目的功能，在充電，播放音樂和與智能手機交互方面承擔著越來越多的責任。在購買車輛時，人們通常會更了解他們連接手機和播放音樂的難易程度，而不是發動機的運行情況。

由于使用壽命延長，車輛不僅需要能夠與當今幾乎所有可用的智能手機、平板電腦和筆記本電腦進行互操作，還需要能夠與未來幾年發布的智能手機、平板電腦和筆記本電腦進行互操作。當您考慮到典型的智能手機每兩年更換一次時，互操作性就更加重要。

此外，USB供電標準可能會隨著時間的推移而發展，就像許多標準一樣。例如，當前標準支持具有可編程電源 （PPS） 支持的供電 （PD） 3.0 和快速充電 （QC） 4.0。如果這些規格中的任何一個發生變化——事實上，USB Type-C和PD規格都在不斷變化——車輛可能無法完全支持推向市場的新設備。

實現強大的互操作性的唯一方法是通過可編程USB控制器。使用可編程控制器，可以升級USB供電堆棧，以便與新設備進行互操作。由于汽車的許多部件都使用軟件，駕駛員開始接受軟件升級是標準做法。通常，這些升級對車主是透明的，因為技術人員通常在車輛被送去維修時從固件升級開始。

控制器具有嵌入式微處理器的事實并不一定意味著它支持可編程性。例如，固定功能的USB控制器不需要編程，并且可以以較低的成本獲得。或者，可以使用可配置的控制器，該控制器提供有限數量的配置選項預編程到控制器中。

固定功能和可配置控制器非常適合消費電子設備（即USB鼠標）等應用，在這些應用中，產品的使用壽命預計最多只有幾年，并且產品只需要與一組有限且定義明確的其他設備（即PC和筆記本電腦）進行互操作。但是，固定功能的 USB 控制器只能為有限數量的設備提供最佳質量。同樣，如果可配置控制器上的可用設置與用戶擁有的特定設備不匹配，則用戶體驗的質量將下降。像這樣的互操作性問題只會隨著規范的變化而變得更加普遍。

相比之下，可編程 USB 控制器可以讓開發人員完全訪問控制器的功能，從而最大限度地提高跨設備和用例的質量。使用反饋，控制器可以動態調整和調整其設置，以優化特定設備的性能。此外，如果引入新標準或出現不可預見的問題，USB控制器足夠靈活，可以通過固件升級來解決這些問題。這使汽車原始設備制造商能夠確保在車輛的整個生命周期內保持互操作性、質量和可靠性。

需要注意的是，開發人員無需直接對控制器進行編程即可訪問其全部功能。開發人員可以使用高級開發工具來定義控制器的運行方式，而不是編寫固件。然后，這些工具自動生成相應的固件。這些工具還簡化了更新控制器的過程。

一些 USB 控制器制造商還承擔管理與基于 USB 的新設備的互操作性以及適應規范更改的任務。這使汽車原始設備制造商不必投入工程資源來自己執行這些任務。

事實是，汽車USB控制器不是商品。考慮到當 USB 鼠標停止工作時，只需不到 10 美元即可更換。如果汽車中的USB端口停止工作，則可能需要昂貴的保修維修費用。因此，用于車輛的USB控制器必須滿足更高的標準。產量必須遠高于消費品。用于汽車應用的電子設備必須能夠承受更熱的工作溫度。最后，汽車組件的使用壽命需要比傳統消費電子應用更長;也就是說，商用控制器可能只在短時間內可用，而不是汽車OEM所需的10+年。

集成

設計具有更高功率輸出的USB Type-C子系統的主要挑戰之一是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護以及高壓柵極驅動器。還需要電纜補償，以確保車輛中保持長電纜上的信號質量。為了在車輛通常受限和環境極端的工作條件下支持可靠運行，必須基于溫度的功率節流以防止過熱和損壞。此外，OEM廠商希望在過渡到USB Type-C期間能夠支持傳統的USB Type-A設備。

電路保護：由于USB端口暴露在現實世界中，USB電路需要保護免受許多電氣事件的影響。最常見的一種是靜電放電（ESD）。例如，乘客在乙烯基座椅上四處走動或摩擦地毯會積聚電荷。如果他們觸摸暴露的USB端口，它們可能會破壞車內難以維修且昂貴的敏感電子設備。

為了防止ESD，系統需要接地到屏蔽接地，以便能量可以安全地耗散。理想情況下，控制器具有集成的ESD保護。8 KV 觸點和 15 KV 空氣放電保護通常足以保護控制器免受 ESD 事件的影響。可以在PCB板上添加額外的ESD保護二極管，以進一步增強保護。

USB 端口還需要防止意外過壓 （OV） 和過流 （OC） 事件。在設備充電期間，可能會發生 OV 和 OC 事件的常見實例。為了啟動充電，設備和供電系統商定要使用的電流和電壓。但是，如果系統開始提供錯誤的電壓或電流，則可以觸發過壓保護（OVP）或過流保護（OCP）電路來保護器件。

短保護也是必要的。當電纜以一定角度拉出時，Vbus引腳可能會暫時短路到其中一個數字引腳。鑒于Vbus最高可達20 V，數字引腳容限為5 V，如此短路可能會損壞受影響的端口。與USB Type-A相比，USB Type-C端口的短保護更為重要。這是因為USB Type-C連接器將22個引腳（而Type-A為9個引腳）安裝到更小的外形中，從而增加了Vbus短路的機會。

理想情況下，短路保護集成在USB控制器中。請注意，短路保護是可復位的，因此在短路時不會損壞控制器。相反，控制器會關閉以防止短路。然后可以重置它以恢復端口，使短暫事件只是一個暫時且可修復的問題，而不是導致店內維修。

高壓柵極驅動器：為了支持向后兼容性，USB Type-C 連接器默認為 5 V。一旦確定了供電水平，控制器可能需要從5 V FET切換到20 V FET，以支持更高的功率輸出。如果此功能未集成到控制器中，則需要額外的電路來驅動在 Vbus 上提供 20V 電壓所需的更高功率 FET。

電纜補償：為方便起見，USB 端口可能位于整個汽車中，例如前排主機、后排座椅之間的中央儲物箱和手套箱。對于不僅僅支持供電（即數據功能）的USB端口，USB控制器很可能是信息娛樂系統的一部分。要將儲物箱中的端口物理連接到信息娛樂系統，可能需要長達 10 英尺的 USB 電纜。使用如此長的電纜，將出現顯著的壓降，從而對信號質量和可靠性產生負面影響。

為了將信號質量保持在可靠的工作范圍內，控制器可以采用補償。簡單來說，控制器中的固件調整輸出電壓以抵消電纜長度上的壓降。這種補償可以根據所用電纜的長度作為固定金額實施。或者，控制器可以通過定期監控接收到的信號并修改補償調整來動態補償壓降。

基于溫度的功率節流：實施USB Type-C的挑戰之一是處理與提供高達100 W的功率相關的額外散熱。 過熱會導致許多問題，包括引發火災和/或損壞正在充電的設備。附近對熱敏感的組件，如信息娛樂或導航系統電子設備，也可能受到影響。過度散熱甚至可能損壞USB端口本身，需要昂貴的服務或保修電話進行維修。

基于溫度的功率節流是防止過熱的有效方法。當接近熱閾值時，位于敏感組件旁邊的熱傳感器會向控制器發出警報。然后，控制器可以降低輸送的功率。功率越小，熱量就會越少，系統就可以冷卻了。同時，連接的設備仍然可以充電，只是速度較慢。這種安全功能需要與控制器的微處理器集成，并且可以以對用戶透明的方式實現。

傳統的USB Type-A支持：雖然新設備將具有USB Type-C連接器，但仍會有數十億臺設備具有USB Type-A連接器。汽車原始設備制造商將需要提供USB Type-A端口來支持這些傳統設備。控制器可以同時支持 A 型和 C 型端口，而不是實現兩個獨立的 USB 子系統。這些集成控制器簡化了系統設計，同時最大限度地降低了總 BOM 成本。

實現這些功能對于確保電源可靠性是必要的，并且可能會大大增加車輛內USB Type-C和供電子系統的成本和占用空間。汽車市場的USB控制器旨在集成這些功能和其他功能。這可確保組件具有汽車級，可以很好地協同工作，降低成本并簡化設計。減少必須組裝的組件數量還可以通過減少故障點的數量來提高可靠性。

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USB供電正迅速成為車輛的標準功能。為了保持與下一代便攜式設備的互操作性，汽車需要支持USB Type-C連接器。從USB Type-A到USB Type-C的過渡將引入新功能，包括更快的充電速度。為了在車輛的整個生命周期內保持質量和互操作性，設計人員需要一個足夠靈活的可編程控制器，以支持USB規范的變化，并根據這些規范與未來的設備進行互操作。通過將關鍵功能集成到控制器中以保護內部電子設備，OEM 可以確保可靠性，同時最大限度地降低系統成本。

審核編輯：郭婷