BQ24392-Q1：高性能USB开关的设计与应用解析

在电子设备的设计中，USB接口的应用极为广泛，而一个稳定且功能强大的USB开关对于设备的充电和数据传输至关重要。今天我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的BQ24392-Q1，这是一款专为汽车应用设计的双单刀单掷（SPST）USB 2.0高速隔离开关，具备充电器检测功能，适用于微型和迷你USB端口。

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1. 产品特性亮点

1.1 汽车级应用资质

BQ24392-Q1通过了AEC-Q100认证，这意味着它能够在-40°C至125°C的环境温度范围内稳定工作，满足汽车应用对器件可靠性和稳定性的严格要求。同时，其人体模型（HBM）静电放电分类等级为2级，充电器件模型（CDM）静电放电分类等级为C4B，具备良好的ESD防护能力。

1.2 USB 2.0高速开关与充电器检测

该器件支持USB 2.0高速数据传输，并且能够检测符合USB电池充电规范版本1.2（BCv1.2）的充电器，同时兼容多种非标准充电器，如苹果（Apple™）充电器、TomTom™充电器等。这使得它在不同的充电场景下都能发挥出色的性能。

1.3 宽电压范围与ESD性能

BQ24392-Q1的VBUS电压范围为-2V至28V，能够适应多种电源输入。同时，其ESD性能经过严格测试，在人体模型下可达4000V，充电器件模型（C101）下可达1500V，DP_CON/DM_CON到GND的接触放电可达±8kV（IEC 61000-4-2），有效保护器件免受静电损坏。

2. 应用场景

BQ24392-Q1适用于多种汽车电子设备，如后座娱乐系统和GPS系统等。在这些应用中，它能够实现USB数据路径的开关控制和充电器检测，确保设备的正常充电和数据传输。

3. 产品详细描述

3.1 功能概述

BQ24392-Q1在检测到符合BCv1.2规范、苹果、TomTom或其他USB充电器插入微型或迷你USB连接器时，会自动检测充电器类型并控制USB 2.0高速隔离开关。该器件通过VBUS供电，具备28V的耐压能力，无需外部保护电路。

3.2 引脚配置与功能

PIN NO.	NAME	I/O	DESCRIPTION
1	SW_OPEN	O	USB开关状态指示，开漏输出，需10kΩ外部上拉电阻。低电平表示开关闭合，高阻态表示开关断开
2	DM_HOST	I/O	D-信号到收发器
3	DP_HOST	I/O	D+信号到收发器
4	CHG_AL_N	O	充电状态指示，开漏输出，需10kΩ外部上拉电阻。低电平表示允许充电，高阻态表示不允许充电
5	GOOD_BAT	I	电池状态指示，来自系统。低电平表示电池电量低，高电平表示电池电量良好
6	GND	-	未内部连接
7	DP_CON	I/O	D+信号来自USB连接器
8	DM_CON	I/O	D-信号来自USB连接器
9	VBUS	I	来自USB连接器的电源引脚
10	CHG_DET	O	充电器检测指示，推挽输出到系统。低电平表示未检测到充电器，高电平表示检测到充电器

3.3 充电器检测流程

当微型或迷你USB附件插入连接器且VBUS电压高于VBUS_VALID阈值时，BQ24392-Q1进入数据接触检测（DCD）状态，该状态包含600ms的超时功能。如果检测到符合USB BCv1.2规范的充电器，将启动130ms的去抖周期，然后进行主检测和二次检测，以确定连接的是专用充电端口（DCP）、标准下游端口（SDP）还是充电下游端口（CDP）。检测时间最短为130ms，由于插拔速度慢，最长可达600ms。

如果DCD检测失败，器件将检测是否插入了苹果或TomTom充电器，检测时间通常约为600ms。检测结束后，CHG_AL_N、CHG_DET和SW_OPEN三个输出引脚会改变状态，具体状态可参考检测表。

3.4 器件功能模式

BQ24392-Q1具有三种功能模式：

• 无附件插入
• 附件插入且正在进行检测
• 附件插入且检测完成

4. 设计与应用要点

4.1 GPIO的使用

• CHG_AL_N和CHG_DET：这两个引脚用于指示充电状态和充电电流大小。CHG_AL_N是开漏输出，低电平有效；CHG_DET是推挽输出，高电平表示可进行大电流充电。系统需要定义低电流和高电流充电的具体数值。
• SW_OPEN：开漏输出，指示USB开关的状态。高阻态表示开关断开，低电平表示开关闭合。主机应监控该引脚以了解开关状态。
• GOOD_BAT：主机控制器使用该引脚向BQ24392-Q1指示电池状态，它会影响SDP或CDP的开关状态以及死电池供应（DBP）定时器。

4.2 慢插拔事件处理

在插入充电器时，VBUS和GND引脚先接触，而BQ24392-Q1需要访问D+和D-线进行检测。因此，该器件在VBUS有效后有130ms的去抖时间，以减少D+和D-线接触延迟的影响。但如果插拔速度过慢，检测时间可能会超过600ms，导致器件将充电器检测为非标准充电器。

4.3 典型应用设计

在典型应用中，BQ24392-Q1用于微型或迷你USB连接器端口和USB主机之间，实现USB数据路径的开关控制和充电器检测。设计时需要注意以下几点：

• 电容选择：VBUS需要1μF - 10μF和0.1μF的旁路电容，以减少电路元件的噪声。0.1μF电容用于过滤高频信号，1μF - 10μF电容用于过滤低频信号。
• 电阻配置：SW_OPEN和CHG_AL_N需要10kΩ上拉电阻到VDDIO和VBUS；VBUS、DM_CON和DP_CON建议使用2.2Ω外部电阻进行额外的镇流保护。
• ESD保护：DM_CON、DP_CON和VBUS建议使用1pF - 10pF的外部ESD保护二极管，额定IEC保护电压为8kV，以防止8kV IEC接触放电导致的器件故障。

4.4 布局指南

• 电容放置：VBUS旁路电容应尽量靠近VBUS引脚，避免靠近DP/DM走线。
• 走线长度和阻抗匹配：高速DP/DM走线长度应匹配且不超过4英寸，阻抗应与电缆的差分特性阻抗90Ω ± 15%匹配。
• 减少反射和干扰：高速USB信号走线应尽量减少过孔和拐角的使用，避免在晶体、振荡器、时钟信号发生器等附近布线，避免出现Stub。
• 多层板设计：建议使用至少四层的印刷电路板，信号层之间由接地层和电源层隔开，以减少电磁干扰。

5. 总结

BQ24392-Q1是一款功能强大、性能稳定的USB开关，适用于汽车电子等多种应用场景。在设计过程中，我们需要充分了解其特性和应用要点，合理进行电路设计和布局，以确保设备的正常运行和稳定性。希望本文能为电子工程师在使用BQ24392-Q1进行设计时提供一些有用的参考。你在实际应用中是否遇到过类似的设计挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。