【導(dǎo)讀】我們是小工具和創(chuàng)新的一代，幾乎所有的人都在購(gòu)買(mǎi)具有移動(dòng)功能的東西。這是非常需要的，尤其是生活在繁忙的日程和約會(huì)的世界中。不幸的是，這些廣泛使用的小工具也需要時(shí)不時(shí)地充電才能連續(xù)使用。當(dāng)用戶(hù)舒適地呆在家里或辦公室時(shí)，這并不是什么大問(wèn)題。然而，如果用戶(hù)已經(jīng)乘坐汽車(chē)，那就是另一回事了。
我們是小工具和創(chuàng)新的一代，幾乎所有的人都在購(gòu)買(mǎi)具有移動(dòng)功能的東西。這是非常需要的，尤其是生活在繁忙的日程和約會(huì)的世界中。不幸的是，這些廣泛使用的小工具也需要時(shí)不時(shí)地充電才能連續(xù)使用。當(dāng)用戶(hù)舒適地呆在家里或辦公室時(shí)，這并不是什么大問(wèn)題。然而，如果用戶(hù)已經(jīng)乘坐汽車(chē)，那就是另一回事了。
當(dāng)今的消費(fèi)者隨身攜帶智能手機(jī)、平板電腦和媒體播放器等便攜式設(shè)備 (PD)。但是，當(dāng)您將這些 PD 裝入汽車(chē)時(shí)，它們可能無(wú)法快速充電或根本無(wú)法充電，尤其是近的耗電 PD。此外，甚至沒(méi)有足夠的 USB 端口供所有乘客使用，導(dǎo)致消費(fèi)者爭(zhēng)奪單個(gè) USB 端口來(lái)為其設(shè)備充電。隨著 USB 預(yù)計(jì)將覆蓋幾乎 100% 的汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)，汽車(chē) OEM 及其供應(yīng)商需要滿(mǎn)足這一需求。
即使是成本的車(chē)輛，汽車(chē)乘客也希望擁有功能齊全、快速充電的 USB 接入端口，而且他們還需要更多這樣的端口。低成本 USB 車(chē)載充電器不是解決方案，因?yàn)樗鼈儠?huì)給車(chē)輛帶來(lái)無(wú)線電干擾 (RF)。汽車(chē) OEM 非常清楚這些 PD 充電和射頻干擾問(wèn)題。他們正在努力尋找可靠、成本的方法來(lái)升級(jí)現(xiàn)有的 USB 端口，并為每輛車(chē)添加更多的 USB 充電端口。
傳統(tǒng)的 USB 解決方案需要四到五個(gè)分立元件才能解決這些問(wèn)題。本文討論了一種帶有智能 USB 開(kāi)關(guān)的新型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器利用緊密集成來(lái)提供汽車(chē)專(zhuān)用 USB 電源、USB 充電枚舉、端口保護(hù)，并解決了近期較高 PD 充電電流的問(wèn)題。它使 USB 對(duì)于汽車(chē)制造商和消費(fèi)者來(lái)說(shuō)變得實(shí)用。
汽車(chē)的 USB 挑戰(zhàn)
我們將從主要挑戰(zhàn)開(kāi)始，即當(dāng)前的要求。隨著各設(shè)備電池容量的增加，PD 的 USB 充電電流需求也在穩(wěn)步增長(zhǎng)。車(chē)輛 USB 端口歷來(lái)限制為 500mA，但新的 PD 需要高達(dá) 1A、1.5A，甚至 5.0V 時(shí) 2.1A 的電流才能快速充電。
現(xiàn)在，我們來(lái)談?wù)劸嚯x。由于美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局 (NHTSA) 建議不要使用收音機(jī)前置 USB 端口，因此車(chē)輛的主 USB 端口通常位于手套箱中、收音機(jī)/中控臺(tái)下方或座椅之間的扶手儲(chǔ)物箱區(qū)域中。此 USB 端口位置可以是距收音機(jī) 30 厘米到 3 米的任何位置，并通過(guò)固定 USB 電纜連接。一旦 PD 連接到此遠(yuǎn)程 USB 端口，PD 就會(huì)吸取電流并嘗試充電。流經(jīng) USB VBUS (+5V) 電源線和 USB 接地線電阻的電流會(huì)在固定電纜上產(chǎn)生壓降 (I × R)。當(dāng)PD處的電壓低于USB規(guī)范時(shí)，會(huì)導(dǎo)致充電電流減小和充電時(shí)間延長(zhǎng)。請(qǐng)參見(jiàn)圖 1。例如
還有射頻問(wèn)題。為了擁有更多的 USB 充電端口，消費(fèi)者將點(diǎn)煙器式 USB 車(chē)載充電器帶入車(chē)內(nèi)。OEM 無(wú)法控制這些簡(jiǎn)單充電器中 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量、工作頻率或拓?fù)?。不足為奇的是，這些 USB 車(chē)載充電器中設(shè)計(jì)不良的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)干擾 AM 接收器，為 FM 接收器產(chǎn)生靜電，干擾智能手機(jī)的觸摸屏，并降低 GPS 和無(wú)源等嵌入式車(chē)輛 RF 功能的靈敏度錄入系統(tǒng)。所有這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者和 OEM 品牌體驗(yàn)不佳。
解決射頻干擾和電纜掉落問(wèn)題
為了防止消費(fèi)級(jí)USB車(chē)載充電器造成的射頻干擾，應(yīng)在汽車(chē)中集成更多車(chē)載USB端口。這些車(chē)載 USB 端口中使用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須具有關(guān)鍵性能特征。首先，它需要一個(gè)固定頻率、脈寬調(diào)制 (PWM) 拓?fù)?，以提供良好預(yù)測(cè)的開(kāi)關(guān)諧波和 EMI 特性。為了避開(kāi) AM 頻段，設(shè)計(jì)人員可以切換到 550kHz 以下或 2MHz 以上，以避免干擾調(diào)諧器。如果低于 AM，DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須具有外部數(shù)字 SYNC 輸入，以允許微處理器設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率并避免 AM 調(diào)諧器頻率。如果高于 AM，則不會(huì)發(fā)生 AM 干擾，這是方法。然而，在2MHz以上，DC-DC轉(zhuǎn)換器將具有更高的開(kāi)關(guān)損耗、更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間，
為了獲得的 FM 接收效果，必須避免 10.7MHz IF 頻率并消除 FM 頻段本身的諧波。在 AM 頻段之上切換可以更容易地避免 10.7MHz，因?yàn)橹C波間隔更遠(yuǎn)。使用 2.2MHz 是工作頻率，因?yàn)榈谒闹C波為 11MHz，使其距離 10.7MHz IF 為 300kHz。為了避免 FM 頻率本身，DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)內(nèi)部擴(kuò)頻振蕩器。這會(huì)抖動(dòng) 2.2MHz 工作開(kāi)關(guān)頻率，以便 FM 頻段中的諧波不會(huì)干擾主 FM 載波信號(hào)。參見(jiàn)圖 2。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器在空載時(shí)保持固定頻率（到 PD 的 DC USB 電流為零）至關(guān)重要。這消除了由 SKIP（突發(fā)）模式操作引起的低頻諧波，并防止它們干擾智能手機(jī)的觸摸屏或 100kHz 無(wú)源進(jìn)入系統(tǒng)。為了在空載電流下保持固定頻率運(yùn)行，DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須具有內(nèi)部低側(cè)同步 FET 和控制環(huán)路拓?fù)?，以便在無(wú) DC 時(shí)將電流傳入或傳出轉(zhuǎn)換器輸出上的電容器。存在 USB 負(fù)載電流。參見(jiàn)圖 3。
有一種方法可以增加收音機(jī)中的 USB 電壓并克服固定 USB 電纜的壓降。您需要感測(cè) DC USB 負(fù)載電流，將其通過(guò)跨阻放大器 (TIA)，并調(diào)整 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的主控制環(huán)路：
Vout = Vnoload + Iload × Gi × Gv
為了獲得 USB 并在高達(dá) 1.5A 的負(fù)載電流下將 PD 電壓保持在 4.75V 至 5.25V 之間，該方法的拓?fù)洹⒖傮w精度和帶寬都至關(guān)重要。
在此架構(gòu)中，PD 處的電壓為：
Vpd = Vout – Iload × Rcable –> Vpd = Vnoload + Iload × Gi × Gv – Iload × Rcable
參見(jiàn)圖 4。
250mV ≥ ΔVnoload + Iload × Δ(Gi × Gv) – Iload × ΔRcable
考慮到上面的等式、1.5A 負(fù)載要求和 ±17% 的典型 OEM 電纜容差，我們可以得出結(jié)論：
電纜容差設(shè)置系統(tǒng)中剩余的允許誤差。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓和 TIA 的剩余精度將限制電纜長(zhǎng)度。方法的度越低，總電阻越大，自留電纜越短。參見(jiàn)圖 5。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須具有非常的空載輸出電壓，因?yàn)闊o(wú)論負(fù)載電流如何，它都會(huì)直接轉(zhuǎn)換到 PD。需要 1% 或更高的精度。
MAX16984中集成的TIA經(jīng)過(guò)微調(diào)且非常。相比之下，當(dāng)使用具有分立式 TIA 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，容差會(huì)快速累積。
DC-DC 轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)經(jīng)常被忽視的關(guān)鍵特性。如上所述，它必須具有具有寬閉環(huán)帶寬 (> 200MHz) 的源和匯拓?fù)洹＃▍⒁?jiàn)圖 3。）需要此拓?fù)湓谪?fù)載電流階躍期間快速增加（拉電流）和快速減少（灌電流）DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。此外，集成TIA還必須具有較寬的帶寬。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可防止任何過(guò)壓瞬變到達(dá) PD。
實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的汽車(chē)解決方案
隨著 USB 幾乎滲透到所有汽車(chē)中，汽車(chē) OEM 需要一個(gè)可供任何消費(fèi)者的 PD 訪問(wèn)的功能齊全、低成本、快速充電的 USB 端口。車(chē)輛必須有多個(gè)專(zhuān)用 USB 充電端口（僅充電）。所有這些 USB 功能都需要采用小型、高度可靠的集成解決方案，適用于高端和成本的車(chē)輛。
強(qiáng)大的汽車(chē)解決方案需要額外的 ESD 保護(hù)，以保護(hù) USB 數(shù)據(jù)線免受 OEM 擴(kuò)展 ±25kV 要求的影響；智能 USB IF BC1.2 數(shù)據(jù)枚舉器，使 PD 能夠快速充電；USB 數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)保護(hù)器，用于將收發(fā)器 USB 數(shù)據(jù)線與 +5V VBUS 線短路和接地短路隔離；寬工作電壓（4.5V至42V）、固定頻率（空載至滿(mǎn)載）、灌/源+5V DC-DC轉(zhuǎn)換器，防止車(chē)輛射頻干擾；的固定電纜電壓調(diào)節(jié)電路，用于提高 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，以在固定 USB 電纜末端維持 +5V；的直流電流限制，可保護(hù) +5V VBUS 免遭接地短路。當(dāng)然，該解決方案必須使用完全符合 AECQ-100 標(biāo)準(zhǔn)的組件。
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