为汽车 USB 电源选择合适的解决方案

USB Type-C是一种相对较新的高功率USB外设标准，用于计算机和便携式电子设备。USB Type-C标准推动了USB供电规范的改变，不同于长期存在的5 V USB标准，Type-C标准的总线电压最高可达20 V，电流输送能力最高可达5 A。连接的USB-C设备可以相互识别并协商总线电压——从默认5 V USB输出到几个更高的预设电压等级，以便在需要时实现更快的电池充电和更高的功率输送（最高可达100 W）。

随着新车中 USB 端口的普及，为这些端口中的每一个提供电源变得更加重要和繁琐。他们庞大的数量和不同的位置需要一个强大、简单和低成本的解决方案，以便为原始设备制造商 (OEM) 提供最快的设计时间并为最终用户提供最大的功能。

由于使用主汽车电池供电的降压转换器通常为 USB 端口供电，因此转换器必须能够承受或受到保护，避免汽车电池上不可避免的电压偏移或尖峰。只有更高额定电压的降压转换器才能承受更高的电池电压并在电池电压尖峰期间继续运行。

电池充电器中使用的简单紧凑型降压调节器和线性稳压器，仅需要5 V、500 mA至2 A的USB供电，并未充分覆盖全部Type-C USB电源范围。Type-C USB电源增加的电压范围（5 V至20 V），需要的不仅仅是9 V至36 V（或60 V）汽车电池或其他充电电源的降压转换，还需要一个可调降压-升压转换器，以便能够同时对输入至输出电压进行升压和降压。

由于大多数 USB 端口只是为便携式设备电池充电，乘客通常可以忍受短暂的供电中断。因此，您可以使用过压保护电路来保护降压转换器免受短暂的较高电池电压的影响，而不是设计一个降压转换器来承受过压。每当电池电压过高时，过压保护电路就会断开降压转换器与电池的连接。

此外，对于高功率汽车USB充电器，降压-升压转换器应支持10 A或更高峰值开关电流额定值，并提供低EMI性能。将开关频率设置在AM无线电频带之外并使解决方案保持小尺寸的能力是颇受追捧的特性。高压单片转换器（带片上开关）不能承受如此高的峰值开关电流而不烧毁。

1.方案1

LT8390A 是一款独特的2 MHz同步四开关降压-升压控制器。在2 MHz开关频率时，它可提供5 V至15 V的输出电压（3 A时最高45 W），以通过汽车电池为USB-C设备供电。如此高的控制器开关频率使得解决方案尺寸很小，带宽很高，并且AM无线电频带之外的EMI很低。扩频调频和低EMI电流检测架构均有助于LT8390A应用通过CISPR 25 Class 5级EMI标准的严格考验。

提高设计的开关频率允许使用较小的电感，而这常常是宽输入电压四开关降压-升压稳压器设计中尺寸最大的元件。与150 kHz或400 kHz设计相比，LT8390A的2 MHz开关频率能力支持使用尺寸小得多的电感。图1显示了一个完整设计。除了较小的电感外，该解决方案仅使用陶瓷型输出电容，无需使用体积较大的电解电容。

2. 方案2

如果需要在输入端承受过压，则必须将此类电路与较低额定电压的器件（例如TPS62130A-Q1）一起使用降压转换器。该汽车设备接受高达 17V 的电压并提供 3A 的电流。通过其同步整流，高效；它的 3mm×3mm 封装对于其功率级别的转换器来说很小。

TPS6213XA-Q1 器件是一款易于使用的同步降压直流/直流转换器，针对 应用 进行了优化。通常为 2.5MHz 的高开关频率允许使用小型电感器，并且通过使用 DCS-Control™ 拓扑技术提供快速瞬态响应以及高输出电压精度。

借助 3V 至 17V 的宽运行输入电压范围，该器件非常适合由中间总线电源轨供电的系统。该器件在输出电压介于 0.9V 至 6V 之间时支持高达 3A 的持续输出电流（使用 100% 占空比模式时）。输出电压启动斜率由软启动引脚控制，从而实现作为独立电源或者在跟踪配置下的运行。通过配置使能和开漏电源正常引脚也有可能实现电源排序。

在节能模式下，该器件可根据 VIN 生成约 17µA 的静态电流。如果负载较小，则自动且无缝进入省电模式，并在整个负载范围内保持高效率。在关断模式下，该器件处于关断状态，期间的电流消耗低于 2µA。该器件采用 3 × 3mm (RGT) 16 引脚 VQFN 封装。

除了耐受更高的电池电压或受到保护之外，许多 USB 端口还需要能够调节 USB 端口的 5V 电压以满足 USB 规范，即使在负载电流变化和汽车线路上相应的可变电压降的情况下也是如此。这种电缆压降补偿对于那些将降压转换器定位在发动机控制单元 (ECU) 中且不靠近整个车辆的实际 USB 端口的 USB 端口尤为重要。将降压转换器放置在 ECU 中的一个明显优势是单个印刷电路板 (PCB) 包含所有电子设备，而不是为每个 USB 端口配备大量单独的 PCB——这可以节省成本。缺点是每个降压转换器都需要电缆压降补偿。

为了克服这个缺点，TPS2549-Q1 USB 端口充电控制器集成了三个有用的功能：用于保护端口免受过流条件影响的限流电路、USB 设备和 USB 主机之间通信所需的协商以及允许简单的电缆压降补偿实现。该引脚可轻松与任何降压转换器连接，以根据 USB 端口的电流消耗变化调整其输出电压。