【解決方案】讓車用帶USB供電雙Type-C系統更Cool的秘訣

概論

此設計解決方案回顧了內建 USB 供電的汽車雙 USB Type-C™ 設計上所面臨的挑戰；模組溫升必須低於40°C、汽車電池電壓波動大、數據線必須充分保護，設計必須靈活並適應不同的外形尺寸。降壓-升壓控制器 IC 和保護 IC 晶片組可實現小型靈活的模組，並在允許的熱限制內運作。

介紹

USB 連接埠在汽車中非常普遍。透過使用合適的電纜，隨時隨地為多種便攜式設備、智慧型手機和平板電腦充電。實現這些功能的電子模組必須安裝在狹小的空間內而不會過熱。在雙埠專用充電解決方案（圖 1）的情況下，這個問題更加嚴重，該解決方案必須支援兩個連接器，而不增加組件數量和解決方案尺寸。雪上加霜的是，USB 供電 (USB-PD) 標準透過標準電纜將可用功率從 15W（5V、3A）提高到 60W（20V、3A）。

雙 USB 充電器必須符合 AEC-Q100 標準，且必須符合 USB 規範。除了尺寸和溫度挑戰之外，此解決方案不僅必須包括雙傳統 USB 枚舉技術，還必須發出最小的 EMI 輻射、承受 40V 負載突降，並具有防止汽車現場返回的保護功能。它還應該與採用啟動/停止技術並且在引擎啟動時經歷較大電池電壓驟降的車輛相容。這會導致電池電壓遠低於典型的 12V，有時甚至 6V 或更低。

不同的車型需要不同的 USB 模組外形尺寸。因此，晶片製造商提供具有特定參考設計和相關 Allegro 和/或 Gerber 檔案的客戶就緒解決方案非常重要。

該設計解決方案討論了設計雙 USB-PD 和保護系統的挑戰，並提出了一種熱效率高且易於根據不同平台要求進行客製化的方法。

圖 1. 配備雙 USB 供電插座的現代化汽車。

具有供電標準的 USB Type-C

具有電力傳輸功能的 USB Type-C 支援電子產品之間的高資料速率和增強的電力傳輸。它可以提供 10Gbps 的吞吐量，同時透過標準電纜提供高達 3A 的電流，透過增強型電纜提供高達 5A 的電流。總線電壓 (V BUS ) 最高可調整至 20V（使用標準電纜時為 3A 時為 60W，使用增強型電纜時為 5A 時為 100W）。

帶供電功能的雙 USB Type-C

圖 2 展示了雙 USB-PD 系統。對於汽車電池來說，充電時的電壓通常為 14V，在啟動/停止期間最低電壓降至 6V，供電電壓可能在 5V 至 20V 之間變化。電壓調節器提供輸出電壓 V BUS的唯一可能選擇是使用降壓-升壓轉換器。充電模擬並保護 IC 取得 PD 控制器訊號並將其傳遞到 USB Type-C 連接器。

圖 2. 降壓-升壓（橘色）電力傳輸與保護架構。

散熱問題

USB 充電器模組的熱規格很簡單，其溫度不能超過環境溫度 40°C。

問題在於，增加的功率輸出會導致更高的功率損耗，從而在 OEM 指定的 USB 模組尺寸內產生額外的熱量。這種熱量很難輕易去除。系統成本始終至關重要，塑膠是模組最便宜的材料，但不利於傳熱。對盒子進行通風是一種低成本的選擇，但這些功率等級有時需要散熱，這會增加系統成本。最好的散熱方法是使用暴露在外部環境中的金屬電連接器。但由於其暴露性和功能，最終用戶可能會接觸到該組件。因此，出於最終用戶的安全考慮，必須限制 PCB 和連接器的溫度。

降壓-升壓架構選擇

熱量和功率損耗的管理在汽車應用中非常重要。使用具有低 R DS(ON)和低閘極電容的外部 MOSFET 可最大限度地減少損耗。在具有 12V 輸入的 60W 控制器設計中，MOSFET 的功率損耗會根據 H 橋中的位置而變化。在一個例子中，最熱的 MOSFET 的溫升將達到 39°C（見圖 5）。在 24.5°C 環境下，PCB 上的最熱溫度約為 63.5°C。MOSFET 之間確實會發生相互加熱，但由於電路板上的適當間距，這種情況會減少。必須在過孔間距和鑽孔尺寸之間實現良好的平衡，以便將熱量從裝置中排出，同時對標準 FR-4 板的 EMI 影響最小。

相較之下，當所有四個 MOSFET 都整合在單一 IC 上時（如降壓-升壓轉換器），相互加熱是一個大問題，因為耗散功率集中在一個非常小的區域。在這種情況下，每個 MOSFET 的溫升大致與所有耗散功率的總和成正比。這可能是控制器情況下估計量的兩倍 (78°C)。在 24.5°C 的環境溫度下，轉換器解決方案中的連接器溫度將更難管理。

構成因素

控制器的高整合度及其在足夠高頻率下工作的能力，以減少外部被動元件（電感和電容器）而不顯著影響效率，是減小整體解決方案尺寸的關鍵。小型解決方案更具成本效益，並且更容易適應汽車製造商所需的不同外形尺寸。最後，IC 製造商提供包含 PCB、Allegro 和/或 Gerber 文件的臨時解決方案的能力對於幫助客戶滿足其生產窗口至關重要。

高度整合的控制器

例如，MAX25431 是一款電流模式升降壓控制器（圖 3）。此元件的工作輸入電壓範圍為 6V 至 36V。開關頻率可透過電阻編程，範圍為 220kHz 至 2.2MHz，並且可以與外部時脈同步。寬輸入電壓範圍以及在電池瞬態期間保持恆定輸出電壓的能力，使該裝置非常適合汽車應用。應用到邏輯輸入 (FSYNC) 的外部頻率允許裝置在固定頻率、強制 PWM 模式下運行，以消除頻率變化並幫助最大限度地降低 EMI。保護功能包括逐週期電流限制（隨後在持續過載期間出現打嗝）、輸入欠壓鎖定 (UVLO)、輸出過壓保護以及具有自動恢復功能的熱關斷。MAX25431採用小型4mm x 4mm、24腳TQFN-EP SW封裝。

圖 3. 降壓-升壓應用圖。

更高效率

在圖 4 中，IC 提供 3.5A 電流，峰值效率為 98%。與競爭對手的解決方案相比，降壓-升壓控制器具有 2% 的優勢，這在此應用中非常關鍵。

圖4.高效率曲線及比較。

溫升低

圖 5 顯示了 PCB 溫度分佈，其中 V OUT = 20V、I PORTS = 3A、η = 96.29% 和 440kHz 開關頻率，總輸出功率 P D = 2 x 60W（每次降壓-升壓為 60W）。

圖 5. 120W PD 解決方案熱圖。

溫升最多為：

ΔT = 63.5 – 24.5 = 39°C

即使在這種非常極端的條件下，卓越的效率和適當的 PCB 設計也能將溫升保持在 40°C 以下。

小尺寸

高度整合的控制器提供了面積僅為 2508mm 2的解決方案（圖 6），比最接近的競爭對手解決方案好 17%。

圖 6. 小尺寸 PCB 。

USB-PD 保護

MAX25410是降壓-升壓控制器的補充。該 IC 是一款汽車 USB-PD 連接埠保護器解決方案，適用於汽車無線電、導航、連接和 USB 集線器/多媒體模組應用。此元件為 USB Type-C 連接器上的 CC1、CC2、D+ 和 D- 訊號提供單晶片汽車 USB-PD 保護解決方案。此 IC 還提供具有進階故障管理功能的 VCONN 開關，無需專用電源。元件保護功能包括 ±15kV IEC 61000-4-2、ISO 10605 ESD，以及受保護的 HVCC1、HVCC2、HVD+ 和 HVD- 引腳上的V匯流排短路(24V)。該裝置還整合了 BC1.2 電荷檢測 CDP、DCP 或直通 (SDP) 模式。該 IC 採用小型 4mm x 4mm、16 腳 TQFN 封裝。

雙 USB Type-C 供電和保護模組

降壓-升壓解決方案和保護 IC 整合到 USB-PD 和保護模組中。圖 7 顯示了 120W 高效能、小尺寸電力傳輸模組。

圖 7. 120W 高效率、小尺寸電力傳輸模組。

結論

USB-PD 標準可透過標準電纜提供高達 60W 的功率，這提高了設計汽車雙 USB 模組的風險，因為實現允許的 40°C 溫升更具挑戰性。在訊號側，資料線必須充分保護，同時支援電荷模擬和電荷檢測。該模組必須易於設計，並且能夠根據不同的客戶平台要求快速重新配置。在討論了各種挑戰後，我們推出了基於升降壓控制器 IC 和保護 IC 的高度整合晶片組。我們表明，使用該晶片組，模組溫升被控制在允許的範圍內。此模組尺寸小，具有成本效益，並且可以輕鬆適應汽車製造商所需的不同外形尺寸。提供包含 PCB、Allegro 和/或 Gerber 檔案的臨時解決方案有助於滿足關鍵的客戶生產期限。