了解汽车应用USB充电器设计面临的挑战

汽车信息娱乐市场的最新进展需要高效率和低占用空间的供电（PD）解决方案。减少物料清单的倾向促使USB电源应用将更多功能和职责集成到单个IC中。电池供电的便携式设备的激增导致汽车中用于为设备电池充电的USB插座或端口的数量增加。本应用笔记描述了与汽车应用中USB充电器相关的设计和系统挑战。

介绍

通用串行总线 （USB） 是一种接口标准，用于在外围设备和现代计算设备之间提供电力和通信。它由一组公司于1991年开发，目前由USB互动论坛（USB-IF）监督。该接口标准使制造商和消费者更容易在计算机和外围设备之间共享数据和电源，包括但不限于键盘、鼠标、手机、平板电脑等。USB-IF不断更新USB标准以包含额外的功能，自推出以来，已经有以下标准 - USB1.x，USB2.x，USB3.x，最新的是USB4。x. 这些规格在通信速度和功能方面有所不同，总结如下：

USB1.x：数据速度高达 1.5Mbps 和 12Mbps。

USB2.x：数据速度为 1.5Mbps、12Mbps 和 480 Mbps。

USB3.x：数据速度为 5Gbps、10Gbps 和 20Gbps。

USB4.x：数据速度高达40Gbps（Superspeed，Thunderbolt 3/4）。

USB标准还定义了使用的不同连接器，并涉及特殊标记，以指示可以达到的最大通信速度。这些连接器大致分为 A 型、B 型和 C 型，其中根据大小包含各种子类别。

市场上最新推出的是USB Type-C，它以在将连接器插入USB端口时无论连接器的方向如何都能正常工作而闻名。但是，USB端口和连接并不像人们想象的那么简单。在推出Type-C和USB 3.x及更进一步之前，Type-A和Type-B的USB连接器主要有4根线，VBUS，GND，D +和D-。顾名思义，这些用于为外设（VBUS，GND）供电，并在外设和主机（D+，D-）之间传输数据。C 型插座端口如图 2 所示。

图2.USB C 型插座

在USB Type-C解决方案中，专用微控制器用于检测和协议，为每个USB插座使用多个专用微控制器会增加解决方案的成本和尺寸。通过使用单个微控制器（USB Type-C策略管理器（TCPM））来解决这一挑战，该控制器可作为主设备运行，以及多个USB Type-C端口控制器（TCPC），用于驱动作为从机运行的USB插座。TCPM 和 TCPC 使用 I 进行通信2C.

汽车应用的挑战

汽车IC设计需要满足汽车安全完整性等级（ASIL）标准，这是由ISO26262定义的风险分类系统。有四个ASIL级别，A到D，其中A代表最低程度，D代表最高程度的汽车危险。安全气囊、动力转向和防抱死制动器等关键系统均按照 ASIL-D 标准设计。USB在汽车中的应用主要集中在便携式设备充电。通常，USB充电器的设计不符合ASIL标准，因为它们不会直接影响关键系统。尽管如此，USB充电器的设计可以承受恶劣的汽车环境。以下部分讨论各种挑战并介绍多种解决方案。

高温环境

USB 充电端口通常位于仪表板或扶手附近。电源转换电路和控制器封装在一个紧密的塑料外壳中，信息娱乐主机后面的气流有限。最近的应用需要为手机或笔记本电脑进行高速电池充电，这是通过使用高功率DC-DC转换电路来实现的。该功率转换器设计为具有高效率和低封装热阻。例如，考虑一个效率为 97% 的 100W USB 充电器，其功耗为 3W。如果包带有 ？J= 27°C/W 在环境温度下使用 （T一个） 的 30°C，电源转换器板在 111°C （30 + 27 x 3） 的封闭外壳中工作，这很热。通常，汽车IC设计为在-40°C至+125°C温度范围内工作。如果在外壳温度变得危险的地方实施双USB端口，则设计将变得具有挑战性。通过使用非常高效的电源转换器、散热器或同时使用两个端口时限制功率能力（1 x 100W、1 x 50W 或 2 x 50W）可以解决此问题。为了安全起见，电源转换器IC内部采用热警告或关断电路。

充电端口上的压降

位于中控台上或后排乘客座椅附近的 USB 端口使用长电缆连接到电源转换器的输出。该电源转换器存在于仪表板的信息娱乐主机中。充电时，在 USB 插座上的电缆末端观察到压降，因为这些电缆的电阻有限。例如，输出电压为5V，电流为5A，在100m？电缆在插座处具有 500mV 压降。这违反了USB （3.0）标准，该标准要求连接器电压在±250mV范围内（±5%）。在负载瞬变期间以及器件连接或断开时，插座上观察到较大的电压摆幅。通过实施压降补偿可以解决这个问题，其中功率转换器的输出电压与输出电流成比例增加，如图4所示。控制方案包括正反馈，其中电压增加以增加电流，这经常出现稳定性挑战。这种方法用于补偿由于PCB走线和连接器的电阻引起的压降。这在设备端提供了准确的充电电压。此外，增加一个检测电阻以检测输出电流会产生额外的压降和功率损耗。此外，压降补偿在负载瞬变期间引入较大的压降。长电源线除了电阻外，还包括电感，这会导致快速负载瞬变期间的压降很大。

图4.电缆压降补偿

电缆接地短至点烟器端口

汽车的点烟器端口与电池连接12V，如图5所示。通常的做法是，充电线的一端始终连接到 USB 插座，而另一端设备处于浮动或断开连接状态。电缆的设备端具有内部连接到电缆接地屏蔽层的金属表面。此裸露端可以接触 12V 点烟器端口，导致 12V 电池和电缆接地之间短路。这种情况会导致流向消费类电缆和点烟器接线的电流损坏。USB 充电器端口侧使用接地开关将接地断开到扩展板的连接。检测到电缆屏蔽短路到电池事件，并关闭屏蔽接地开关以保护 USB 充电器、电缆和点烟器。该接地开关要求具有低 R德森以限制电缆接地电压电平（移位），从而允许USB通信和检测。需要额外的保护电路来保护驱动D+/D-引脚或CC1/CC2引脚的微控制器。

图6.电缆屏蔽短至 12V 点烟器。

启停和冷启动期间频繁的线路瞬变

用于高压汽车应用中USB端口的DC-DC转换器通常连接到铅酸电池。该电池的工作电压范围为9V至16V，电压瞬变可低至4V，最高可达40V。当发动机在寒冷天气中使用部分充电的电池启动并且发动机油变得非常浓稠时，就会发生冷启动。发动机起动需要启动器提供更大的扭矩，这反过来又需要来自电池的更多电流。这种大电流负载会导致电源电压短暂“下降”，这种下降可能会将电压从标称值12V压低至5V以下。这种减少可以持续数百毫秒。一旦发动机启动，电压就会恢复到其标称值。热启动的电压曲线类似于具有不同电压和时序的冷启动。由冷启动和热启动引起的电池电源电压瞬态行为如图7所示。自动启停是较新汽车的常见功能，在红绿灯处等待或交通拥堵时，发动机会短暂关闭。这种频繁的启停会导致电池电压下降，并具有与起动类似的瞬态行为。因此，USB充电器设计应在车辆的整个生命周期内处理高输入电压以及抛负载事件。

图7.由于冷启动和热启动而导致的电池电压瞬变［1］。

高压环境和静电放电要求

D+/D- 数据引脚支持 USB 中的高速通信。这些引脚由微控制器 IC 或供电 （PD） 控制器驱动，其工作绝对最大额定电压为 3.3V/5.5V。USB 电缆和插座上的数据引脚暴露在高压环境中，例如 12V 的点烟器端口，以及其相邻的 VBUS 引脚可能高达 21V。为了保护低压微控制器，数据引脚应用高压FET隔离。类似的条件和要求也适用于 CC 引脚。还应通过实施汽车级ESD保护（如符合IEC 61000-4-2和ISO 10605的±15kV空气/±8kV接触）来保护这些引脚免受ESD事件的影响。隔离高压FET和ESD结构的设计应使通信眼图不会损坏。在汽车应用中，插座侧 USB 端口引脚分别称为 HVD+、HVD、HVCC1 和 HVCC2，分别表示 D+、D-、CC1 和 CC2。

MAX25432/MAX25430

MAX25432集成了汽车级100W降压-升压控制器和3.3V至21V全范围可编程电源（PPS），电流高达5A［2］.MAX25430为100W降压-升压控制器，具有5V、9V、15V和20V固定输出电压，电流高达5A，适用于USB PD应用。

MAX25432/MAX25430通过实现热关断，解决了密封的塑料外壳、气流受限甚至没有气流引起的高温问题。热关断保护限制了器件在强制关断前允许达到的温度。如果芯片温度超过 +165°C，器件将关断并要求其冷却。一旦设备冷却 15°C，设备就会再次自动启用。热过载可在设备过热时保护设备。

通过实施压降补偿来解决后排乘客座椅中由于长电缆引起的电缆电压降，其中检测输出电流并将电流信息反馈到转换器的内部反馈模块。MAX25432/MAX25430补偿压降可达516m？来自从 OUT 引脚到用户电缆的寄生电阻。这包括但不限于 USB 固定电缆、PCB 走线和内联连接器。电缆补偿设计用于高达 5A 的恒压区域。电缆补偿在进入MAX25432的PPS限流区域时保持工作状态。

通过实施检测和控制方案，可以避免通过12V点烟器端口造成电缆屏蔽短路造成的损坏。当存在 Type-C 附件并且电缆屏蔽层接触 12V 端口时，大浪涌电流流过接地隔离 FET 的 R德森接地。该浪涌电流在其两端产生电压，并通过检测引脚（SHLD_SNS）进行检测。当检测电压超过某个电压阈值或斜率时，触发故障检测比较器。在去抖动期后，FET关闭并报告故障情况。

MAX25432/MAX25430设计用于4.5V至36V （40V抛负载）输入电压，允许在“热启动”和启停条件下工作。设计人员必须考虑与输入保险丝相关的电流限制。

MAX25432/MAX25430为USB PD或TCPM控制器提供高压保护，使其免受插座或固定电缆事件的影响。在数据和 CC 引脚上实现了 24V 直流保护。高压D+/D-引脚（HVD+/HVD-）和CC引脚（HVCC1/HVCC2）受到监控和保护，以应对过压情况，如ESD或电池短路/VBUS事件。MAX25432/MAX25430在USB HVD+、HVD、HVCC1、HVCC2和屏蔽检测引脚上具有汽车级ESD保护，与（a）±15kV气隙/±8kV接触放电IEC 61000-4-2，（b）±15kV气隙/±8kV接触放电ISO 10605。所有其他引脚均采用 ±2kV 人体模型 （HBM） 进行 ESD 保护。MAX25410为数据和CC引脚的专用端口保护器。

审核编辑：郭婷