TPS25772-Q1：汽车双USB端口应用的理想之选

在当今的汽车电子领域，USB充电和数据传输功能变得越来越重要。为了满足汽车双USB端口应用的需求，德州仪器（TI）推出了一款完全集成的双端口USB Type-C®电力输送（PD）解决方案——TPS25772-Q1。本文将深入介绍这款器件的特性、应用、工作原理以及设计要点，希望能为电子工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

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一、TPS25772-Q1的特性亮点

1. 符合AEC-Q100标准

TPS25772-Q1具有符合AEC-Q100标准的特性，包括器件温度等级1（-40°C至 +125°C环境工作温度范围），以及器件HBM ESD分类等级2和器件CDM ESD分类等级C2B，增强型连接器引脚ESD保护功能，这使得它非常适合汽车应用的严苛环境。

2. 集成降压/升压转换器

该器件集成了降压/升压转换器，带4个电源开关，支持高达65W的USB PD输出功率，$V{BUS}$输出范围为3V至21V，步长为 ±20mV，$I{BUS}$输出范围为0A至3A，电流限值步长为 ±50mA，能够满足不同的功率需求。

3. 宽输入电压范围

宽$V{IN}$范围为5.5V至18V（最大40V），使得它可以适应汽车电池系统的电压变化，同时具有$V{BUS}$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，提高了系统的安全性和可靠性。

4. 智能系统策略管理器

一个智能的系统策略管理器有效地增加了传输的USB电力，同时保护系统免受汽车电池瞬态和过热情况的影响，确保了系统的稳定运行。

二、应用场景广泛

TPS25772-Q1适用于多种汽车应用，如汽车类USB充电、汽车媒体中心、汽车音响主机以及汽车后座娱乐系统等，为汽车内的USB设备提供了可靠的充电和数据传输解决方案。

三、详细功能解析

1. 电源管理与监控

• VIN UVLO和Enable/UVLO：具有一个内部固定的$V{IN}$ UVLO和一个用户可编程的UVLO，通过EN/UVLO引脚实现。该引脚有三个电压范围：关机、待机和工作。当EN/UVLO引脚电压低于待机阈值$V{EN(STBY)}$时，器件处于低功耗关机状态；当电压在$V{EN(STBY)}$和$V{EN(OPER)}$之间时，内部偏置轨、LDO_5V、LDO_3V3和LDO1V5调节器启用，但其他器件功能禁用；当电压高于$V{EN(OPER)}$且LDO_5V、LDO_3V3和LDO_1V5调节器高于各自的欠压阈值时，器件完全功能。
• 内部LDO：三个内部LDO（LDO_5V、LDO_3V3和LDO_1V5）为内部电路提供稳压电源。LDO_5V为降压 - 升压栅极驱动电路、LDO_3V3、LDO_1V5以及PA和PB VCONN电源路径供电；LDO_3V3为内部模拟电路、GPIO缓冲器、USB PD和USB端点PHYs供电；LDO_1V5为数字核心供电。

2. TVSP功能

TVSP引脚具有三个功能：引导配置设置、USB连接器引脚短接$V{BUS}$或$V{BAT}$保护以及USB连接器引脚增强型ESD保护。在设备初始化和引导期间，$V_{IN}$必须高于7.6V以确保TVSP引脚正确偏置到5.5V。

3. 降压 - 升压调节器

• 工作模式：采用固定频率、电流模式控制的降压 - 升压转换器，可在降压、降压过渡、升压过渡和升压四种模式下工作，根据输入电压$V{IN}$和输出电压$V{OUT}$的关系自动切换。
• 开关频率和同步：PWM振荡器频率$f_{sw}$可通过应用配置GUI进行编程，有300kHz、400kHz和450kHz三种标称设置。支持频率抖动和同步功能，可通过SYNC引脚实现多个转换器的同步，减少输入电流峰值和总输入电容需求。
• 过压保护：包含过压保护电路，当$V_{IN}$超过约19V时，比较器检测到输入过压情况，关闭开关转换器，保护功率级免受负载突降和双电池条件的影响。

4. USB-PD物理层

• 编码和信号：USB-PD消息采用Biphase Mark Coding（BMC）信号传输，通过Px_CC1或Px_CC2引脚输出。发送器和接收器符合USB-PD BMC TX和RX掩码要求，确保信号的准确传输。
• VCONN：内部VCONN供电路径可通过固件配置，使用内部LDO_5V电源时，端口A和端口B均可连续吸取20mA电流；若连接外部5V稳压器并启用应用GUI设置，两个端口均可连续吸取200mA电流。

5. 电缆插拔和方向检测

每个CC引脚都有相同的检测电路，可自动检测USB Type-C电缆的插拔和方向。当端口作为Type-C源时，根据$V{REFx}$节点的阈值检测电缆连接状态；当端口作为Type-C接收器时，通过呈现下拉电阻$R{SNK}$等待源设备连接。

6. ADC功能

ADC是一个8位逐次逼近ADC，输入支持来自设备中各种电压和电流的多个输入，输出可由应用固件读取和使用，用于监测USB端口的遥测信息。

7. BC 1.2充电模式

BC 1.2下游端口充电器仿真可通过应用GUI配置，支持DCP、Divider-3、1.2-V和HVDCP等充电模式。

8. 数字接口

包含一个$I^{2}C$控制器和一个$I^{2}C$目标接口，可用于与外部目标设备通信，IRQ功能取决于固件应用配置。

四、设计要点与建议

1. 应用GUI选择

使用应用GUI选择所需的操作条件，如端口A的$V_{Bus}$功率、PDO和APDO设置、开关频率、电感值等，并将设置保存到编程PC，将固件闪存到EEPROM，然后对设备进行电源循环。

2. EEPROM选择

需要一个EEPROM来存储用户应用配置数据和固件补丁更新，建议选择32kB（256kb）、7位$I^{2}C$地址（0x50）、组织为32kb x 8的EEPROM。

3. EN/UVLO设置

根据所需的$V_{IN}$开启电压，选择合适的电阻值来设置EN/UVLO引脚的阈值，确保设备在合适的电压下启动和关闭。

4. 电流检测电阻和滤波器

在CSP和CSN/BUS引脚之间需要一个10-mΩ的电流检测电阻，精度要求±1%或更高。同时，建议使用$R{CSP}=10 Omega$、$R{CSN}=0 Omega$和$C_{FILT}=0.22 mu F$的RC滤波器网络，以确保USB PD PPS电流限制的准确性。

5. 电感选择

根据所需的开关频率和输出功率，选择合适的电感值。表10-1列出了基于不同开关频率的推荐电感值，可根据实际情况进行选择。

6. 电容选择

输入和输出电容的选择对于系统的稳定性至关重要。在降压模式下，输入电容需要提供高纹波电流；在升压模式下，输出电容需要承受高纹波电流。建议使用陶瓷和大容量电容的组合，以提供低ESR和高纹波电流容量。

7. 布局设计

PCB布局应遵循分离敏感信号和功率路径的原则，确保良好的性能。例如，将输入和输出旁路电容靠近IC引脚放置，以减少开关电流的环路面积；将电流检测电阻和滤波器组件靠近IC CSP和CSN/BUS引脚放置，避免交叉噪声区域；USB数据线路DP和DM应差分布线，控制阻抗为90Ω差分，减少信号反射和干扰。

五、总结

TPS25772-Q1是一款功能强大、性能可靠的汽车双USB端口解决方案，具有集成度高、安全性好、适应性强等优点。通过合理的设计和布局，工程师们可以充分发挥其优势，为汽车电子系统提供稳定、高效的USB充电和数据传输功能。在实际设计过程中，建议仔细参考德州仪器提供的技术文档和应用指南，以确保设计的成功。希望本文能为电子工程师们在TPS25772-Q1的设计应用中提供有益的帮助，大家在设计过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。