該設計解決方案回顧了設計具有USB供電系統的汽車雙USB Type-C?所面臨的挑戰。模塊溫升必須低于40°C。 汽車電池電壓波動很大。數據線必須得到充分保護，設計必須靈活且適應不同的外形尺寸。降壓-升壓控制器 IC 和保護 IC 芯片組可實現在允許的熱限制內運行的小型靈活模塊。

介紹

USB端口在汽車中無處不在。通過使用適當的電纜，許多便攜式設備、智能手機和平板電腦都可以在旅途中充電。實現這些功能的電子模塊必須安裝在狹小的空間內，而不會過熱。對于雙端口專用充電解決方案，該問題會更加嚴重，該解決方案必須支持兩個連接器，而不會增加組件數量和解決方案尺寸。為了應對這一挑戰，USB 供電 （USB-PD） 標準使用標準電纜將可用功率從 15W（5V、3A）增加到 60W（20V、3A）。

雙 USB 充電器必須符合 AEC-Q100 標準，并且必須符合 USB 規范。除了尺寸和溫度挑戰外，該解決方案不僅必須包括雙傳統USB枚舉技術，還必須發出最小的EMI輻射，承受40V負載突降，并具有防止汽車磁場返回的保護。它還應該與采用啟動/停止技術并在發動機啟動時遇到較大電池電壓驟降的車輛兼容。這會導致電池電壓下降到遠低于典型的12V，有時甚至6V或更低。

不同的車型需要不同的USB模塊外形。因此，芯片制造商必須提供具有臨時參考設計以及相關 Allegro 和/或 Gerber 文件的客戶就緒解決方案。

該設計解決方案討論了設計雙USB-PD和保護系統的挑戰，并提出了一種熱效率高且易于根據不同平臺要求進行定制的方法。

USB Type-C 帶供電標準

具有供電功能的USB Type-C支持高數據速率和電子產品之間的更高功率傳輸。它可以提供 10Gbps 的吞吐量，同時通過標準電纜提供高達 3A 的電流，通過增強型電纜提供高達 5A 的電流。總線電壓（V總線） 可調節至 20V（使用標準電纜時 3A 時為 60W，使用增強型電纜時可在 5A 時調節 100W）。

雙 USB C 型，帶供電功能

圖 2顯示了雙 USB-PD 系統。對于汽車電池，充電時通常為 14V，在啟動/停止期間降至最低 6V，供電電壓可能在 5V 至 20V 之間變化。穩壓器提供輸出電壓V的唯一可能選擇總線通過使用降壓-升壓轉換器。電荷仿真和保護IC接收PD控制器信號，并將其傳遞到USB Type-C連接器。

圖2.降壓-升壓（橙色）供電和保護架構。

發熱問題

USB充電器模塊的散熱規格很簡單，其溫度不能超過環境溫度的40°C。

問題在于，功率輸出的增加會導致更高的功率損耗，從而在OEM指定的USB模塊尺寸內產生額外的熱量。這種熱量很難輕易去除。系統成本始終至關重要，塑料是模塊最便宜的材料，但不利于傳熱。通風箱是一種低成本的選擇，但這些功率水平有時需要散熱，這會增加系統成本。最好的散熱逸出方法是使用暴露在外部環境中的金屬電連接器。但由于其暴露和功能，最終用戶可能會觸摸此組件。因此，出于對最終用戶的安全考慮，必須限制PCB和連接器的溫度。

降壓-升壓架構選擇

熱和功率損耗的管理在汽車應用中非常重要。使用低R的外部MOSFETDS（ON）低柵極電容將損耗降至最低。在具有 12V 輸入的 60W 控制器設計中，MOSFET 的功率損耗因 H 橋中的位置而異。在一個示例中，最熱的MOSFET的溫升為39°C（見圖5）。在24.5°C的環境溫度下，PCB上最熱的溫度約為63.5°C。 MOSFET之間確實會發生相互加熱，但由于電路板上的適當間距而減少了相互加熱。必須在通孔間距和鉆頭尺寸之間取得良好的平衡，才能將熱量從器件中排出，同時將對標準 FR-4 板的 EMI 影響降至最低。

相比之下，當所有四個MOSFET都集成在單個IC上時，例如在降壓-升壓轉換器中，相互加熱是一個大問題，因為耗散功率集中在非常小的區域內。在這種情況下，每個MOSFET的溫升大致與所有耗散功率的總和成正比。這可能是控制器外殼估計量的兩倍 （78°C）。在 24.5°C 的環境溫度下，轉換器解決方案中的連接器溫度將更難管理！

外形尺寸

控制器的高集成度及其在足夠高的頻率下工作的能力，可以在不顯著影響效率的情況下減少外部無源器件（電感和電容器），這是減小整體解決方案尺寸的關鍵。小型解決方案更具成本效益，并且更容易適應汽車制造商所需的不同外形尺寸。最后，IC制造商提供臨時解決方案的能力，包括PCB、Allegro和/或Gerber文件，對于幫助客戶滿足其生產窗口至關重要。

高度集成的控制器

例如，MAX25431為電流模式降壓-升壓控制器（圖3）。該器件采用 6V 至 36V 的輸入電壓工作。開關頻率可通過電阻在 220kHz 至 2.2MHz 范圍內設置，并可同步至一個外部時鐘。寬輸入電壓范圍，以及在電池瞬變期間保持恒定輸出電壓的能力，使該器件成為汽車應用的理想選擇。施加到邏輯輸入 （FSYNC） 的外部頻率允許器件在固定頻率、強制 PWM 模式下工作，以消除頻率變化并有助于最大限度地降低 EMI。保護功能包括持續過載期間的逐周期電流限制和打嗝、輸入欠壓鎖定 （UVLO）、輸出過壓保護和帶自動恢復功能的熱關斷。MAX25431采用小型4mm x 4mm、24引腳TQFN-EP SW封裝。

圖3.降壓-升壓應用圖。

更高的效率

在圖4中，IC提供3.5A電流，峰值效率為98%。與競爭對手的解決方案相比，降壓-升壓控制器具有2%的優勢，這在該應用中非常關鍵。

圖4.高效曲線和比較。

低溫升

圖5顯示了V下的PCB溫度分布外= 20V，I港口= 3A，η = 96.29%，開關頻率為 440kHz，總輸出功率為 PD= 2 x 60W（每個降壓-升壓為 60W）。

圖5.120W PD解決方案熱圖。

溫升最多為：

ΔT = 63.5 – 24.5 = 39°C

卓越的效率和適當的PCB設計即使在這種非常極端的條件下也能將溫升保持在40°C以下。

體積小

高度集成的控制器可提供僅 2508mm 的解決方案2面積（圖 6），比最接近的競爭對手解決方案好 17%。

圖6.電路板尺寸小。

USB-PD 保護

與降壓-升壓控制器相輔相成的是MAX25410。該 IC 是一款汽車 USB-PD 端口保護器解決方案，適用于汽車無線電、導航、連接和 USB 集線器/多媒體模塊應用。該器件為USB Type-C連接器上的CC1、CC2、D+和D-信號提供單芯片汽車USB-PD保護解決方案。該 IC 還提供具有高級故障管理的 VCONN 開關，無需專用電源。器件保護功能包括 ±15kV IEC 61000-4-2、ISO 10605 ESD 和短路至 V總線（24V） 在受保護的 HVCC1、HVCC2、HVD+ 和 HVD 引腳上。該器件還集成了 BC1.2 電荷檢測 CDP、DCP 或直通 （SDP） 模式。該 IC 采用小型 4mm x 4mm 16 引腳 TQFN 封裝。

雙 USB C 型供電和保護模塊

降壓-升壓解決方案和保護IC集成在USB-PD和保護模塊中。圖7所示為120W高效、小尺寸供電模塊。

圖7.120W高效、小尺寸供電模塊。

結論

USB-PD 標準可通過標準電纜實現高達 60W 的功率傳輸，這增加了設計汽車雙 USB 模塊的風險，因為允許的 40°C 溫升更難實現。在信號側，數據線必須得到充分保護，同時支持電荷仿真和電荷檢測。該模塊必須易于設計，并根據不同的客戶平臺要求快速重新配置。在討論了各種挑戰之后，我們介紹了基于降壓-升壓控制器IC和保護IC的高度集成芯片組。我們展示了，使用此芯片組，模塊溫升控制在允許的范圍內。其小尺寸使該模塊具有成本效益，并且易于適應汽車制造商所需的不同外形尺寸。臨時解決方案的可用性，包括 PCB、Allegro 和/或 Gerber 文件，有助于滿足關鍵的客戶生產期限。

審核編輯：郭婷