在汽车系统中迁移到 USB 3.1：设计考虑和权衡

作者：Microchip Technology 营销工程师 Dave Sroka

在过去 10 年中，汽车信息娱乐系统功能发生了显着变化。2009 年，领先的汽车出版物将内置导航系统和 DVD 播放器列为汽车最重要的五种功能。由于智能手机的兴起，内置导航系统现已被淘汰，而智能手机界面（即 Android Auto、Apple CarPlay）和快速通用串行总线 (USB) 充电等驾驶员便利功能已攀升至顶端。

这些功能的结合点在于一项关键技术——USB。作为消费者熟知的技术，USB 继续从其行业组织 USB-IF 输出新规范，系统设计人员继续在该技术中寻找价值。几年来，顶级汽车 OEM 和一级供应商的工程师一直在将这些便利功能集成到他们的产品设计中。随着智能手机上的应用程序不断发展，为车辆提供更多带宽，以及消费者希望更快地为电子设备充电，这种趋势肯定会继续下去。

在车辆智能手机接口的情况下，USB 用作传输层，将手机显示或数据流式传输到主机。为了加快充电速度，USB 电力传输 (PD) 规范概述了电力合同的协商/最终确定方式以及可以向消费类设备提供的电力水平。虽然 USB 规范、合规性测试和 USB 芯片的架构可以执行大部分繁重的工作，但必须设计所有组件的系统集成，包括主机硬件、主机软件和媒体集线器。

USB 3.1 系统设计的关键考虑因素推动下一个技术水平，必须考虑许多因素来完成系统：

带宽需求（USB 2.0 Hi-Speed 或 USB 3.1 SuperSpeed）

需要移动应用支持（需要主机/设备交换能力）

所需端口的数量和类型（一个、两个、三个或四个/A 型或 C 型）

硬件接口类型（USB 主机或 USB 主机/设备端口）

USB 充电功率等级（1.5 A、2.0 A、3.0 A 等）

图 1：设计 USB 系统时要考虑的因素。

因此，OEM 可以在不更改系统架构的情况下添加功能非常重要。例如，Microchip 开发了广泛的汽车 USB 产品组合 ，支持一致的系统集成主题，因此 OEM 可以在迁移系统的同时维护架构。

例如，如果 OEM 使用 USB 2.0 解决方案，在该解决方案中他们连接到主机中的 USB 主机专用端口，他们可以很容易地转向只需要 USB 主机端口解决方案（即主机）的 USB 3.1 解决方案。反射器功能）。这两种解决方案都将使用相同的原生 USB 类驱动程序（即通信设备类和网络控制模型）来支持 Apple CarPlay。因此，在 USB 2.0 解决方案上完成的工作，包括启动移动接口应用程序，对于两个芯片来说可以是相同的。同样，Microchip 通过名为 FlexConnect 的功能在主机上提供对 USB 主机/设备连接的支持，该功能可以将其集线器端口的功能从设备交换到主机并返回。

考虑到所有这些，设计人员可以选择使用 FlexConnect 方法来支持执行 CarPlay 的 iPhone 的主机/设备交换或多主机反射器方法。这些方法之间的主要区别之一是 CarPlay 会话可用的带宽量。

借助 FlexConnect，在 CarPlay 期间成为 USB 主机的 iPhone 将拥有所有 USB 2 带宽 (480 Mbits/s) 可供使用。借助多主机反射器，iPhone 将与主机中的 USB 主机共享 480-Mbits/s 带宽。决定留给系统架构师选择最能满足其系统需求的方法。在这两种情况下，都不需要自定义驱动程序。USB 2.0 和 USB 3.1 汽车集线器均提供多主机反射器功能和 FlexConnect 功能。

因此，就功能芯片块而言，带有媒体集线器的信息娱乐主机系统可以很容易地从 USB 2.0 Hi-Speed 迁移到 USB 3.1 SuperSpeed。一致的功能集和 USB 类驱动程序提供相同的用户应用程序支持，同时减少系统验证任务、设计风险和上市时间。

从 USB 2.0 迁移到 USB 3.1 的权衡虽然从 USB 2.0 到 USB 3.1 的简单迁移是可能的，但在考虑迁移到 USB 3.1 SuperSpeed 解决方案时需要评估一些领域。最重要的是支持 5-Gbits/s 数据流与 480-Mbits/s 数据流的根本区别。印刷电路板设计、元件放置、连接器质量和电缆距离都会影响信号完整性。对于初始实施，在实现大批量节约和规模经济之前，预计会出现更高的电缆和组件成本。必须根据这些因素来衡量可以获得的整体性能和带宽。

对于实现 USB Power Delivery 3.0 的 Type-C 端口，每个端口能够充电高达 100 W，因此提供具有适当控制功能的一致架构至关重要。必须控制温度以确保正常运行和长期可靠性，以及必要时适当的关闭机制。

例如，Microchip 为 USB 2.0 和 USB 3.1 开发了一致的功能框图，并保持了相同的架构。在这里，集线器中的集成微控制器执行供电堆栈，连接端口控制器，并管理媒体集线器的电源平面。这种带有集中式微控制器的架构可以同时执行多种功能，包括供电堆栈、USB 端口之间的实时功率平衡以及不同移动电源之间的功率节流进行的热响应。

图 2：Microchip 最近发布的 USB7002 的框图包含与 USB 2.0 SmartHubs 相同的架构，因此可以轻松迁移系统。

相比之下，按端口构建的 USB 供电解决方案必须包含单独的控制功能，通常在分立微控制器中执行功率平衡、功率节流和温度控制。这就是为什么 Microchip 的 SmartHub 系列始终包含一个集成微控制器的原因，因为它们支持这些功能，并且在材料清单 (BOM) 中增加的额外成本极少甚至没有。

最后，功率平衡和热算法可以跨平台迁移或根据车辆模型的特定需求进行调整。例如，皮卡车的动力平衡模型可能与乘用轿车不同。

随着移动接口应用程序继续流行，推动越来越多的带宽和对更快充电的需求，考虑所有系统权衡至关重要。这些包括所需的 USB 技术的整体速度、可用于主机的 USB 端口、移动接口应用所需的带宽、要提供的电力传输体验以及需要维护的软件/驱动程序结构，如以及整体系统成本和上市时间。

牢记所有这些因素，工程师可以根据自己的需求定制系统，同时提供迁移路径，最大限度地降低设计风险并缩短上市时间，以适应不断发展的信息娱乐生态系统。

审核编辑 黄昊宇