汽车级 USB 充电端口控制器 TPS2586x-Q1 详解

在汽车电子领域，USB 充电端口的需求日益增长，对其控制器的性能和可靠性也提出了更高要求。TPS2586x-Q1 作为一款集成式 USB 充电端口解决方案，为汽车 USB 充电应用提供了出色的性能和丰富的功能。今天，我们就来深入了解一下这款控制器。

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1. 产品概述

TPS2586x-Q1 包含 TPS25860-Q1 和 TPS25862-Q1 两个型号，适用于 Type-C 和 Type-A 双端口应用。它集成了同步高效直流/直流转换器、检测和控制功能，支持 USB 电池充电 1.2 和 Type-C 端口标准，能够为汽车 USB 充电端口提供稳定可靠的电源。

2. 关键特性

2.1 汽车级标准认证

符合 AEC-Q100 标准，温度等级 1 涵盖 -40°C 至 +125°C 的工作温度范围，HBM ESD 分类等级 H2 和 CDM ESD 分类等级 C5，确保了在汽车恶劣环境下的可靠性。

2.2 低 EMI 设计

针对超低 EMI 要求进行优化，符合 CISPR25 5 类标准。采用 HotRod™ 封装减少开关节点振铃，展频技术降低峰值发射，有效减少电磁干扰。

2.3 高效同步降压稳压器

在 2.2MHz 下具有高效率，例如在 $V{IN}=12 ~V$、$I{PA _BUS}=3 ~A$ 且 $I{PB _BUS}=2.4A$ 时效率可达 93.6%。具备 18mΩ/10mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 降压稳压器 MOSFET，工作电压范围为 5.5V 至 26V，可承受 36V 输入，频率可在 200kHz 至 3MHz 之间调节。

2.4 高精度可编程电流限制

USB 端口具有高精度可编程电流限制，在 3.4A 下误差为 ±10%，能够根据不同设备的需求精确控制充电电流。

2.5 多输出电压选项

提供 5.1V、5.17V、5.3V、5.4V 四种可选输出电压，可通过 VSET 引脚进行设置，满足不同设备的充电需求。

2.6 电缆压降补偿

具备电缆压降补偿功能，在 2.4A 负载下补偿电压为 90mV，可有效抵消汽车电缆布线中的导线电阻引起的压降，确保便携式设备在重载下能够获得稳定的充电电流和电压。

2.7 热管理功能

支持智能热调节，通过 TS 引脚连接 NTC 热敏电阻监控环境温度或 PCB 板温度，根据温度感应调节输出电流和电压，防止设备过热。

3. 功能模块详解

3.1 电源管理

3.1.1 电源关断或欠压锁定

当 IN 端子电压低于 VUVLO 时，设备进入掉电模式，所有端子呈高阻抗状态。当 IN 电压高于 VUVLO 阈值时，根据 EN/UVLO 电压进入睡眠模式或活动模式。EN/UVLO 引脚控制设备的开关操作，确保满足 USB Type-C VBUS 的“冷插座”（0V）要求。

3.1.2 输入过压保护

当输入电压超过 26V 时，降压调节器的 HSFET/LSFET 立即关闭，USB 端口和 OUT 引脚失电。当电压恢复正常后，降压调节器继续工作。在过压期间，内部调节器将 SENSE 电压调节在 5V，为内部偏置电路和外部 NTC 上拉参考提供电源。

3.1.3 降压转换器

采用固定频率、峰值电流模式控制调节输出电压，具有电压反馈环路实现精确的直流电压调节。内部补偿设计减少了外部组件数量，易于设计且在合理的输出电容组合下能稳定运行。此外，还支持 PFM 模式，在轻负载时可提高效率。

3.2 频率控制

3.2.1 频率编程

通过 FREQ/SYNC 引脚和 AGND 引脚之间的电阻 $R{FREQ}$ 可对开关频率进行编程，公式为 $R{FREQ }(k Omega)=26660 × f_{SW }^{-1.0483}(kHz)$。也可将其与外部时钟同步，同步范围为 200kHz 至 3MHz。

3.2.2 频率选择建议

虽然开关频率可设置高于 2.4MHz，但考虑到功率损耗，建议设置在 2.4MHz 以下，以避免芯片结温和板温过高，导致设备在高温环境下进入负载 shedding 模式。

3.3 电流限制与保护

3.3.1 USB 开关可编程电流限制

采用两级电流限制方案，包括典型电流限制 $I{OS _BUS}$ 和二次电流限制 $I{OS _HI}$，$I{OS _HI}$ 为 $I{OS _BUS}$ 的 1.6 倍。可通过 $R_{ILIM}$ 电阻设置电流限制阈值，内置软启动电路限制浪涌电流和电压波动。

3.3.2 两级 USB 开关电流限制互锁

为避免两个 USB 端口同时输出大电流导致 DC-DC 调节器过载，采用互锁方案。当一个 USB 端口电流超过 $I{OS _BUS}$ 时，另一个 USB 端口的电流限制阈值将被覆盖为 $I{OS _BUS}$。

3.3.3 逐周期降压电流限制

在电感电流的峰值和谷值均设有逐周期电流限制，确保高侧和低侧 MOSFET 的过流保护。

3.3.4 OUT 电流限制

OUT 引脚可提供 200mA 电流，当电流达到限制水平时，进入恒流限制模式，若过流情况持续超过 4.1ms，则进入打嗝模式。

3.4 电缆补偿

当负载通过长或细导线汲取电流时，电缆会产生 IR 压降，影响充电效果。TPS2586x-Q1 的电缆补偿功能通过内部比较器比较两个电流限制开关的电流感测输出电压，取较大值补偿线路压降。该功能仅在 VSET 引脚短路到 GND 时可用，输出电流大于 2.4A 时补偿电压为 90mV。

3.5 热管理

3.5.1 温度传感与保护

TS 输入引脚用于用户可编程热保护，其阈值与 VSENSE 成比例。当 $V{TS}=0.5 ×V{SENSE }$ 时，若处于 3A Type-C 广告模式，PA_CC1、PACC2 引脚自动将广告电流降至 1.5A 水平；当 $V{TS}=0.65 ×V_{SENSE }$ 时，设备以默认 USB 模式运行，SENS 引脚输出电压降至 4.77V。若温度持续升高达到 OTSD 阈值，设备将热关断。

3.5.2 热关断

设备具有内部过热关断阈值 $T_{SD}$，当温度超过该阈值时，设备关闭。当芯片温度降至 154°C（典型值）以下时，设备重新启动。

3.6 USB 控制与指示

3.6.1 USB 使能开关控制（TPS25862-Q1）

PA_EN 和 PB_EN 引脚分别控制 PA_USB 和 PB_USB 的开关，高电平使能，低电平关闭并进行输出放电。可将其连接到 SENSE 实现自动启动，也可由外部信号控制。

3.6.2 故障指示

TPS25862-Q1 的 PA_FAULT 和 PB_FAULT 引脚为故障指示引脚，在正常状态下为开漏状态。当 USB 开关进入打嗝模式或触发过热关断时，引脚拉低。通过连接 100kΩ 上拉电阻到 SENSE 或其他合适的 I/O 电压，可方便监测故障状态。

3.7 USB 端口操作模式

3.7.1 USB Type-C® 模式

端口 A 支持所有 Type-C 功能，当 SENSE 超过欠压锁定阈值且 EN 引脚为高电平时，设备启动并监测 CC1 和 CC2 引脚。检测到 UFP 时，USB 电源开关开启；若检测到 Ra，则施加 VCONN 使电流流向连接 Ra 的 CC 引脚。

3.7.2 专用充电端口（DCP）模式（TPS25860-Q1 仅支持）

DCP 模式仅提供电源，不支持数据连接。TPS25860-Q1 支持 DCP-auto 状态，可选择性实现短路、分压 3 和 1.2V 模式等充电方案，以满足不同设备的充电需求。

4. 应用与设计

4.1 典型应用

TPS2586x-Q1 常用于汽车系统中，将车辆电池的直流电压转换为 5V 直流输出，为 USB 设备供电。典型应用包括 Type-A 和 Type-C 双充电端口以及媒体 HUB 等。

4.2 设计步骤

4.2.1 输出电压设置

通过 VSET 引脚设置输出电压，短路 VSET 到 GND 可设置输出电压为 5.17V 并启用电缆补偿功能。

4.2.2 开关频率选择

推荐开关频率范围为 250kHz - 2.2MHz，可根据效率和解决方案尺寸的需求进行选择。较低的开关频率可降低开关损耗，提高系统效率；较高的开关频率可使用更小的电感和输出电容，实现更紧凑的设计。

4.2.3 电感选择

电感的关键参数包括电感值、饱和电流和额定电流。根据所需的峰 - 峰纹波电流 $Delta i{L}$ 计算最小电感值 $L{MIN}$，公式为 $L{MIN }=frac{V{INMAX }-V{OUT }}{I{OUT } × K{IND }} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW }}$，其中 $K_{IND}$ 取值范围为 20% - 40%。电感额定电流应高于设备的电流限制。

4.2.4 输出电容选择

输出电容的选择直接影响输出电压纹波、环路稳定性和负载瞬态响应。在系统需要严格电压调节的情况下，输出电容应足够大，以在负载电流突变时提供所需电荷，维持输出电压在规定范围内。

4.2.5 输入电容选择

建议使用 X5R 或 X7R 陶瓷电容作为高频输入去耦电容，典型值为 10μF，耐压至少为应用所需的最大输入电压，最好为最大输入电压的两倍。同时，在 IN 和 PGND 之间使用 100nF 陶瓷电容提供高频旁路。在某些情况下，可能需要在输入侧并联电解电容以提供阻尼。

4.2.6 自举电容选择

自举电容推荐值为 100nF，耐压 16V 或更高，应使用 X7R 或 X5R 陶瓷电容以确保温度稳定性。

4.2.7 欠压锁定设置

使用外部电阻分压器 $R{ENT}$ 和 $R{ENB}$ 确定系统欠压锁定（UVLO）水平，公式为 $V_{INRISING }=V{ENNH} × frac{R{ENT}+R{ENB }}{R_{ENB}}$。选择合适的电阻值可确保设备在所需的输入电压范围内正常启动。

4.2.8 电缆补偿设置

短路 VSET 引脚到地可启用电缆补偿功能，当 USB 端口电流大于 2.4A 时，补偿电压为 90mV。

4.2.9 FAULT 电阻选择

FAULT 引脚为开漏输出标志，可连接 100kΩ 上拉电阻到 SENSE 或其他合适的 I/O 电压，不使用时可悬空或接地。

5. 布局与散热

5.1 布局指南

PCB 布局对 TPS2586x-Q1 的性能至关重要，以下是一些布局建议：

• 输入旁路电容 $C_{IN}$ 应尽可能靠近 VIN 和 PGND 引脚，输入侧高频陶瓷旁路电容为脉冲电流的高 di/dt 分量提供主要路径。
• 使用中间层的接地平面进行噪声屏蔽和散热。
• 反馈和使能组件的接地连接应路由到接地平面，避免开关或负载电流在模拟接地迹线中流动。
• SW 引脚与电感的连接应尽可能短，使用短而厚的迹线或铜浇铸以减少寄生电阻。输出电容应靠近电感的 VSENSE 端并与 PGND 引脚和暴露焊盘紧密接地。
• 使 $V_{IN }$、VSENSE 和接地总线连接尽可能宽，以减少电压降并提高效率。
• 提供足够的 PCB 面积进行散热，使用足够的铜面积确保低 $R_{theta J A}$，推荐使用两层铜厚为 2 盎司的 PCB 板，若使用多层板，可通过热过孔连接到内层散热接地平面。

5.2 接地平面与散热考虑

建议使用中间层作为实心接地平面，为敏感电路和迹线提供屏蔽，并为控制电路提供安静的参考电位。AGND 和 PGND 引脚应通过过孔连接到接地平面，PGND 引脚连接到内部低侧 MOSFET 开关的源极，以及输入和输出电容的接地端。PGND 网络包含开关频率噪声，应将其迹线限制在接地平面的一侧，另一侧用于敏感线路。

通过 IC 的 PAD 作为主要散热路径，使用至少 4 x 2 阵列的 12 密耳热过孔将 PAD 连接到系统接地平面散热器，过孔应均匀分布在 PAD 下方。在顶层和底层使用尽可能多的铜用于系统接地平面，以实现最佳散热效果。推荐使用四层板，铜厚从顶层开始依次为 2oz / 1oz / 1oz / 2oz，这样的设计可提供低电流传导阻抗、适当的屏蔽和较低的热阻。

6. 总结

TPS2586x-Q1 是一款功能强大、性能卓越的汽车级 USB 充电端口控制器，具有低 EMI、高效率、高精度电流限制、智能热管理等诸多优点。通过合理的设计和布局，能够为汽车 USB 充电应用提供稳定可靠的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求选择合适的参数和组件，以充分发挥该控制器的性能优势。

各位工程师在使用 TPS2586x-Q1 过程中遇到过哪些问题呢？你对它的哪些特性最感兴趣？欢迎在评论区分享你的经验和想法。