汽车级 USB Type-C 电力输送控制器 TPS25762-Q1 深度解析

在汽车电子领域，USB 充电和数据传输需求日益增长，对 USB 电力输送控制器的性能和可靠性提出了更高要求。TPS25762-Q1 作为一款汽车级 USB Type-C 电力输送控制器，凭借其卓越的特性和广泛的应用场景，成为众多工程师的首选。本文将深入剖析 TPS25762-Q1 的各项特性、应用场景以及设计要点，为电子工程师提供全面的参考。

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特性亮点

符合 AEC-Q100 标准

TPS25762-Q1 满足 AEC-Q100 标准，具备出色的可靠性和稳定性。其器件温度等级 1 支持 -40°C 至 +125°C 的环境工作温度范围，能够适应各种恶劣的汽车环境。同时，器件 HBM ESD 分类等级 2 和 CDM ESD 分类等级 C2b 提供了良好的静电防护能力，增强型连接器引脚 ESD 保护功能进一步提升了器件的抗干扰能力。

强大的 USB 电力输送支持

该控制器具有可编程电源 (PPS) 支持，宽 VIN 范围为 5.5V 至 18V（最大 40V），集成降压/升压转换器可支持高达 65W 的 USB PD 输出功率。VBUS 输出范围为 3.3V 至 21V，步长为 ±20mV，IBUS 输出范围为 0A 至 3A，电流限制步长为 ±50mA，能够满足不同设备的充电需求。此外，VBUS 短接 $V{BAT}$ 和接地保护、$V{BUS}$ 电缆压降补偿、MFi 过流保护等功能，确保了充电过程的安全和稳定。

丰富的端口配置选项

TPS25762-Q1 提供了多种端口配置选项，包括 1 个 USB-PD 端口（TPS25762-Q1）、1 个支持 DisplayPort over USB-C™ (DP 交替模式) 的 USB-PD 端口（TPS25763-Q1）以及 2 个 USB-PD 端口（TPS25772-Q1），可根据不同的应用需求进行灵活选择。

符合 USB 要求

该控制器符合 USB Type-C® 电力输送 3.1 版要求，通过 USB–IF PPS 认证（TPS25762-Q1 TID:9509，TPS25772-Q1 TID:9161），确保了与各种 USB 设备的兼容性。同时，支持 USB 电缆极性检测、电池充电规范 v1.2 (BC1.2)、DCP、传统快速充电等多种充电模式，满足不同用户的充电需求。

应用场景

TPS25762-Q1 适用于多种汽车类 USB 充电和数据传输应用，如汽车媒体中心、汽车音响主机、汽车后座娱乐系统等。在这些应用中，TPS25762-Q1 能够为 USB 设备提供稳定、高效的电力输送，同时确保数据传输的可靠性。

详细说明

器件组成

TPS25762-Q1 包含七个子块：USB-PD 控制器、Type-C 电缆插拔和方向检测电路、USB 端点、USB 电池充电规范版本 1.2 (BC1.2) 检测电路、数字内核、器件电源管理和监控电路以及带 4 个集成电源开关的降压/升压转换器。这些子块协同工作，实现了 USB-PD 协议的物理层 (PHY) 功能、电缆插拔和方向检测、USB 端点通信、电池充电检测以及电源管理和监控等功能。

降压/升压稳压器运行

TPS25762-Q1 采用固定频率、电流模式控制降压/升压转换器，以强制连续导通模式 (CCM) 运行。根据输入电压和输出电压的关系，转换器可在降压、降压转换、升压转换和升压四种工作区域之间切换，确保在不同的输入输出条件下都能实现高效的功率转换。

开关频率和抖动

PWM 振荡器频率 $(f{sw})$ 可由固件通过应用配置 GUI 进行编程，提供 300kHz、400kHz 和 450kHz 三种标称设置。频率抖动功能可由固件启用，通过三角波形调制使标称振荡器频率以 ±FS${SS}$（约 ±10%）进行抖动，分散开关产生的频谱峰值，降低峰值谐波水平，简化 EMI 滤波器设计。

电源保护

TPS25762-Q1 具备完善的电源保护功能，包括 $V{IN}$ 过压保护、负载突降保护、双电池保护、反向电池保护等。当 $V{IN}$ 超过大约 19V 时，输入过压保护电路会关闭开关转换器，保护动力总成免受损坏。

反馈路径和补偿

该控制器具有可编程电压反馈路径和可编程平均电流反馈路径，可将开关转换器提供的平均电流限制到 USB 电缆。内部补偿功能确保了系统的稳定性和可靠性，总体斜率补偿和环路补偿根据电感和电容值进行固定设置。

输出电压调节和电缆压降补偿

降压/升压输出电压在 CSN/VBUS 引脚处进行调节，通过 12 位数模转换器 VDAC 可实现 ±20mV 阶跃电压调整。电缆压降补偿功能可根据负载电流的增加线性增加 VCSP/BUS 电压，提高充电效率。

USB-PD 物理层

TPS25762-Q1 中实现的 USB-PD 物理层符合 USB-PD 规范，采用双相标记编码 (BMC) 进行信令发送。发送器和接收器符合定义的 USB-PD BMC TX 和 Rx 掩码，确保了 USB-PD 消息的准确传输。

VCONN 电源管理

内部 VCONN 源端电源路径可通过固件进行配置，仅使用内部 LDO_5V 电源时，端口 A 能够持续消耗 20mA 的电流；如果有外部 5V 稳压器连接到 LDO_5V 引脚并且启用了应用程序 GUI 设置，则端口 A 能够持续消耗 200mA 的电流。同时，VCONN 电源开关具备电流限制和反向电流阻断功能，确保了 VCONN 电源的安全和稳定。

电缆插拔和方向检测

TPS25762-Q1 能够自动检测 USB Type-C 电缆插头插入情况和电缆方向。当端口作为 Type-C 源端运行时，通过驱动电流 $Rp1.5A$ 并监控 Px_CCy 引脚的电压变化，可实现电缆连接和接收端连接的检测。当端口作为 Type-C 接收端运行时，通过在每个 PA_CCy 引脚上提供下拉电阻 RSNK，等待源端连接并上拉引脚上的电压，实现接收端连接的检测。

ADC 功能

该控制器内置 8 位逐次逼近 ADC，可对器件中各种电压和电流进行监测。每个 ADC 电压输入均分压为 1.2V 的满量程输入，应用程序固件可以选择要在轮询自动读数模式下进行自动时序控制的任意通道组。

BC 1.2 模式和快速充电模式

TPS25762-Q1 支持 BC 1.2 下行端口充电器仿真，可通过应用程序 GUI 进行配置。支持 DCP（专用充电端口）短路模式、Divider-3 模式、1.2V 模式和 HVDCP（高压专用充电端口）模式等多种充电模式，满足不同设备的充电需求。

数字接口和 I2C 接口

TPS25762-Q1 包含一个用于与 I2C 目标器件进行通信的 I2C 控制器，根据应用程序 GUI 固件配置，可能有可用的 I2C 目标和 GPIO。I2C 接口支持标准模式、快速模式和快速 + 模式，具备时钟延展、地址设置和上拉电阻计算等功能，确保了与外部设备的可靠通信。

应用和实施

典型应用

TPS25762-Q1 的典型应用包括 65W 输出汽车 USB Type-C 电力输送端口。在设计过程中，需要根据具体的应用需求选择合适的元件参数，如电感器、输入和输出电容、SWx 缓冲器和电流检测滤波器元件等。

设计要求

设计时需要考虑输入电压范围、UVLO 导通电压、USB PD 功率、输出电压和负载电流等目标参数。同时，要确保 $V_{IN}$ 和 $Vout$ 充分去耦，实现稳定的器件运行。

详细设计过程

应用程序 GUI 选择

根据设计要求，在应用程序 GUI 中选择合适的参数，如降压/升压和 USB 输入、低电池电量输入、热管理输入等。

EEPROM 选择

需要使用 EEPROM 来存储用户应用配置数据和固件补丁更新，选择符合要求的 EEPROM 器件，如 On Semi CAV24C256、Microchip 24LC256 等。

EN/UVLO 配置

通过在 IN 电源电压和 EN/UVLO 引脚之间连接电阻分压器，建立高于 $V_{IN(UVLO_R)}$ 的导通电压，确保器件在合适的电压条件下启动。

检测电阻器和滤波器元件选择

选择合适的检测电阻器 $R{SNS}$ 和滤波器元件，如 $R{CSP}$、$R{CSN}$ 和 $C{FLT}$，以满足 USB PD PPS 电流限制精度要求。

电感器电流计算

根据输入输出电压和开关频率，计算电感器在降压和升压模式下的电流，选择合适的电感器值，确保转换器能够提供足够的输出功率。

输出和输入电容器选择

在升压模式下，输出电容器会出现高纹波电流，需要选择合适的输出电容器，如陶瓷电容器和大容量电容器的组合，以提供低 ESR 和高纹波电流容量。在降压模式下，输入电容器可提供高纹波电流，同样需要选择合适的输入电容器。

布局指南

在 PCB 布局时，需要将敏感信号与电源路径分离，遵循以下布局指南：

• 为 IN、OUT 和 $V_{BUS}$ 电容器使用大容量电容器和较小且串联阻抗较低的陶瓷电容器的组合，将较小的电容器放置在更靠近 IC 的位置。
• 放置电流检测电阻器和滤波器元件时，将电流检测信号的滤波电容器尽可能靠近 IC CSP 和 CSN/BUS 放置，避免跨越有噪声的区域。
• 将 CBUS 放置在 $R{SNS}$ 和 USB Type-C 连接器之间，将 $C{IN}$、$C{OUT}$ 和 $C{BUS}$ 接地连接尽可能靠近 IC 放置，并在多个层上使用较宽的接地线和/或平面。
• 分离电源路径和信号路径，避免电源或开关电流流过 AGND 连接。
• USB 数据线、DP 和 DM 必须在 IC 引脚和 USB 连接器之间进行差分布线，控制阻抗并减少信号反射和阻抗变化。
• CC 线使用 10mil 布线，确保可以通过 VCONN 获得所需的电流来支持带电的 Type-C 电缆。

总结

TPS25762-Q1 作为一款高性能的汽车级 USB Type-C 电力输送控制器，具有丰富的特性和广泛的应用场景。在设计过程中，工程师需要充分了解其各项特性和设计要点，合理选择元件参数和进行 PCB 布局，以确保系统的性能和可靠性。同时，德州仪器提供了丰富的文档支持和技术资源，工程师可以通过访问 TI 主页获取最新技术文档，参与 TI E2E™ 中文支持论坛获取快速、经过验证的解答和设计帮助。希望本文能够为电子工程师在使用 TPS25762-Q1 进行设计时提供有益的参考。