汽车电子利器：TPS25858-Q1和TPS25859-Q1双路3A USB Type-C充电端口转换器解析

在如今的汽车电子领域，USB充电端口的需求日益增长。不仅要满足快速充电的要求，还需应对复杂的电磁环境、严格的安全标准以及多样化的设备兼容性。德州仪器（TI）推出的TPS25858-Q1和TPS25859-Q1就是这样两款专门针对汽车应用的双路3A USB Type-C充电端口转换器，它们能为我们带来哪些惊喜呢？

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一、产品概述

TPS2585x-Q1系列集成了多种强大功能，是高度集成的USB Type-C充电控制器，适用于双USB端口应用。它包含一个具有内部功率MOSFET的单片、同步、整流、降压开关模式转换器和两个具有充电端口自动检测功能的USB限流开关。在宽输入电源电压范围内，能实现6.6A的连续输出电流，具备出色的负载和线路调节能力。TPS25858-Q1支持电池充电1.2版功能，可兼容传统非Type-C USB设备；TPS25859-Q1则可单独启用每个端口并报告故障情况。

二、关键特性剖析

2.1 合规性与可靠性

• 汽车标准认证：符合面向汽车应用的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，确保在汽车复杂环境下稳定可靠工作。
• 电磁兼容性：针对超低EMI要求进行了优化，采用HotRod™封装减少开关节点振铃，展频技术降低峰值发射，符合CISPR25 5类标准，有效减少电磁干扰。

2.2 电气性能

• 高效降压：同步降压稳压器在400kHz下具有高效率，当$V{IN}=13.5V$、$I{PA_BUS}=3A$且$I{PB_BUS}=3A$时效率为94.5%，18mΩ/10mΩ低$R{DS(ON)}$降压稳压器MOSFET降低了导通损耗。
• 宽电压范围：工作电压范围为5.5V至26V，可承受36V输入电压，适应不同的汽车电源环境。
• 频率可调：开关频率可在200kHz至800kHz范围内调节，方便工程师根据具体应用需求优化效率或解决方案尺寸。

2.3 充电功能与保护

• 多协议支持：支持USB Type - C（1.5A和3A广播）、USB电池充电规范BC1.2 DCP模式、中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009、分压器3模式和1.2V模式，兼容多种常见的USB充电方案。
• 电流限制与保护：具备精密的可编程电流限制和逐周期电流限制特性，可防止USB端口过热和过载。采用两级电流限制方案，次级电流限值为初级电流限值的1.6倍，应对瞬态过载情况。还提供过流、短路、欠压锁定、过热等多种保护功能，确保充电安全。
• 电缆补偿：内置电缆补偿功能，当VSET短接至GND时，随着负载电流增加，SENSE引脚上的电压线性增大，输出电流大于2.4A时电缆补偿为90mV，有效抵消汽车电缆布线中的导线电阻引起的压降。

2.4 热管理

• 智能调节：支持用户可编程的热保护功能，通过TS输入引脚连接NTC热敏电阻监控环境温度。当温度升高时，自动降低Type - C电流广播水平，必要时降低降压稳压器输出电压，甚至触发热关断保护。
• 热关断恢复：器件具有内部过热关断阈值$T_{SD}$，当器件温度超过该阈值时关闭，裸片温度降至154°C（典型值）以下时重新启动。

三、引脚配置与功能

TPS25858-Q1和TPS25859-Q1采用25引脚VQFN - HR封装，各引脚具有明确的功能。例如，VSET引脚用于设置输出电压，可选择5.1V、5.17V、5.3V和5.4V四种不同的输出电压选项；TS引脚连接NTC热敏电阻，实现温度感测；ILIM引脚可通过连接电阻器设置电流限制阈值。TPS25859-Q1还具有PA_EN、PB_EN用于USB端口的开/关控制，PA_FAULT、PB_FAULT用于故障指示。

四、应用设计要点

4.1 元件选择

• 电感器：电感值基于所需的峰 - 峰值纹波电流$Delta i{L}$计算，选择时需权衡电感大小对瞬态响应、DCR、尺寸和输出电压纹波的影响。一般建议选择$K{IND}$在20%至40%范围内，本设计示例中选择$K_{IND}=0.3$，得出电感约为3.58µH，最终选择最接近的标准值3.3μH。
• 输出电容器：输出电容器直接影响稳态输出电压纹波、环路稳定性以及负载电流瞬态期间的电压过冲/下冲。需根据系统对电压调节和负载瞬态的要求选择合适的电容值和ESR，本示例中使用3 × 22µF陶瓷电容器以获得良好的瞬态性能。
• 输入电容器：建议使用具有足够额定电压的高质量陶瓷电容器X5R或X7R，如10μF、50V、X7R（或更好）的陶瓷电容器，并在紧邻转换器的IN和PGND处使用一个100nF陶瓷电容器。在存在汽车电池到TPS2585x - Q1的IN引脚的引线较长等情况时，还需并联一个中等ESR的电解电容器。
• 自举电容器：使用额定电压为16V或更高的100nF电容器，采用X7R或X5R级电介质的高品质陶瓷电容器，接于SW引脚和BOOT引脚之间，为功率MOSFET的栅极驱动器供电。

4.2 布局设计

PCB布局对于实现理想性能至关重要，需遵循以下原则：

• 输入旁路电容器$C_{IN}$要尽可能靠近IN引脚和PGND引脚放置，输入和输出电容器的接地需包含连接到PGND引脚和焊盘的局部顶层平面。
• 中间层添加接地平面作为噪声屏蔽和散热路径，AGND和PGND引脚使用紧挨旁路电容器的过孔连接到接地平面。
• 为$C_{BOOT}$电容器使用宽迹线，放置在尽可能靠近器件的位置，并使用短而宽的迹线连接至BOOT和SW引脚。
• 连接到电感器的SW引脚要尽可能短且宽度足够，输出电容器靠近电感器的VSENSE端放置，并通过PGND引脚和外露的焊盘紧密接地。
• $R{ILIM}$和$R{FREQ}$电阻器尽可能靠近ILIM和FREQ引脚放置并连接到AGND，必要时可放置在PCB底部，信号通过小过孔布线并远离高噪声网络。
• 使$V_{IN}$、$SENSE$和接地总线接线尽可能宽，减小电压降，提高效率。
• 提供足够大的PCB面积实现散热，使用2盎司（不少于1盎司）的铜制作顶部和底部PCB层，通过矩阵式散热过孔将外露焊盘连接到PCB底层上的接地平面。
• 使CC线路接近相同的长度，避免在CC线上创建残桩或测试点。

五、总结

TPS25858-Q1和TPS25859-Q1以其丰富的功能、出色的性能和可靠的保护机制，为汽车USB充电端口设计提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择元件、优化布局设计，以确保系统的稳定性、效率和兼容性。同时，要严格遵循TI的相关设计建议和安全规范，保障产品的质量和可靠性。你在使用类似USB充电端口转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。