汽车USB 2.0和5V Type-C解决方案用于充电和强大的数据线保护

作者：Trevor Crane and Tao Tao

USB充电端口已成为现代车辆信息娱乐系统的重要组成部分。乘客越来越习惯于将车辆的电气系统连接到智能手机（或其他便携式设备）上，反之，将这些设备用于各种车辆信息和娱乐功能。为了同时支持电源和数据功能，并在不断变化的便携式设备市场中实现适应性，USB 充电端口必须满足各种系统要求，包括电源、数据传输和面对现实世界危险事件的鲁棒性。

便携式设备电池充电（包括支持各种设备充电器配置文件（如 USB BC 1.2 充电下行端口 （CDP）、专用充电端口 （DCP）、标准下行端口 （SDP） 和常见专有配置文件）的能力，只是对 USB 充电端口的各种需求的一部分。其他要求包括保持高速USB数据传输的信号完整性，以及保护USB主机免受汽车环境中常见的危险条件的影响。此外，小解决方案尺寸和低电磁辐射是满足日益复杂的汽车电子需求的重要要求。本文演示了一种满足汽车环境中现代USB充电端口要求的解决方案，包括设计示例。

汽车 USB 电源系统概述

图1显示了典型汽车USB充电器系统的框图，其中开关稳压器从电池到电源V产生5 V电压总线.此处所示的USB充电端口仿真器和电源开关IC具有三个主要功能。首先，USB 充电端口仿真器确定所连接设备的最佳充电电流，从而通过充电端口模式（如 USB BC 1.2 CDP、DCP 和供应商专有的充电器仿真配置文件）实现快速充电。其次，USB电源开关充当限流器和开关，感测和限制总线电流。最后，端口控制器支持连接设备和USB主机之间的USB 2.0高速数据传输。

由于USB端口存在于恶劣的汽车环境中，因此必须保护敏感的USB电路免受许多实际危害的影响，例如插座上的静电放电（ESD）事件和电缆故障事件，这些事件可能会使受影响的接线暴露于远远超出其正常工作值的电压下。

图1.汽车USB充电器框图。

图2显示了汽车USB电源系统的简化框图，该系统将许多电源、端口和保护功能集成到单个IC中。在这种情况下，LT8698S将开关稳压器和电源开关的功能集成到4 mm×6 mm封装中，同时针对ESD事件和电缆故障提供强大的数据线保护。

通过所示的集成充电器解决方案，包括独立执行 USB 端口和便携式设备之间的 USB BC 1.2 CDP 协商序列所需的所有硬件，允许符合 CDP 标准的设备从 V 吸收高达 1.5 A 的电流总线同时与主机高速通信。

电缆压降补偿

电缆压降补偿可保持精确的 5 V 电压调节总线当 USB 插座与控制器物理距离时，例如，USB 插座位于车辆后部，USB 主机位于仪表板中。LT8698S 具有可编程电缆压降补偿功能，可在 USB 插座上提供出色的调节性能，而无需额外的开尔文检测线。

图 3 显示了电缆压降补偿的工作原理。一个检测电阻，R森，在稳压器输出和负载之间串联的 OUT/ISP 和总线/ISN 引脚之间。LT8698S 产生 46 × （V输出/ISP– V巴士/ISN）/R煤层电在其 R煤层电引脚穿过 R煤层电电阻接地。该电流与通过R流入USB5V引脚的电流相同疾病预防控制中心电阻连接在稳压器输出和USB5V引脚之间。这会在 R 两端产生电压偏移疾病预防控制中心电阻，高于 5 V USB5V 反馈引脚，与 R 成比例疾病预防控制中心/R煤层电电阻比。因此，LT8698S将BUS/ISN引脚调节到高于负载目标5 V（最大限值为6.05 V）的点，与负载电流成比例，以保持插座V的精确调节总线针。

电缆压降补偿消除了从稳压器到远程负载的额外开尔文检测线的需要，但需要系统设计人员知道电缆电阻，R电缆—LT8698S 无法检测此值。用于编程电缆压降补偿的组件可以使用以下公式选择：R煤层电= 46 × R森×·疾病预防控制中心/R电缆.由于电缆电阻随温度变化，为了在很宽的温度范围内实现更好的整体输出电压精度，可以通过添加负温度系数（NTC）电阻作为R的一部分来进行电缆压降补偿，使其随温度变化煤层电.

图2.围绕单 IC USB 控制器解决方案构建的汽车 USB 电源系统的简化框图。

图3.电缆压降补偿的工作原理。

图4.LT8698S/LT8698S-1 的稳健保护功能。

为汽车环境提供强大的保护

汽车环境存在许多危险，必须保护USB主机免受这些危害。这些危险包括导致数据线暴露于电池电压或接地的电缆故障，以及USB插座上的大ESD撞击。图 4 显示了如何保护 USB 主机免受这些危害。

LT8698S 的高清和高清+–引脚可承受高达 20 V 的电压直流并阻止高达 8 kV 的接触放电和 15 kV 的空气放电 IEC 61000-4-2 ESD 事件，同时保护主机免受这些恶劣条件的影响。此外，USB5V、输出/ISP 和总线/ISN 引脚可承受输出电压故障，包括高达 42 V 的直流电压。在发生输出故障时，闭锁和自动重试功能可精确限制平均输出电流。

虽然许多 USB 端口控制器 IC 需要在数据线上使用外部箝位二极管或电容器来实现 ESD 保护，这会增加成本和材料，同时可能会降低信号完整性，但 LT8698S 则不需要。

尽管如前所述，数据线开关能够承受直流故障和ESD事件，但它们也支持出色的信号完整性。具体来说，高清和高清的–3 dB带宽+–引脚为 480 MHz（典型值），经过生产测试。图5显示了根据USB 2.0规范在测试平面2的演示板上测量的高速发射眼图。此图显示了符合 USB 模板 1、测试平面 2 限制和大量裕量的情况。

图5.在演示板上测量的高速USB 2.0眼图。显示模板 1 要求。

兼容性和支持各种充电器配置文件

此处示例中使用的控制器 IC 与多种 USB 连接器类型和充电器配置文件兼容，如表 1 所示。让我们看看单个控制器解决方案如何在USB Type C 5 V、3 A解决方案（15 W）中工作。

图6显示了USB 5 V/3 A V的原理图总线带电缆压降补偿的稳压器。在该电路中，R森选择8 mΩ电阻值以支持高达3 A的电流，SYNC/MODE引脚接地以启用脉冲跳跃工作模式，从而降低轻负载电流下的开关频率和静态电流。

LT8698S还支持USB BC 1.2 DCP模式，该模式可提供高达1.5 A的充电电流，以实现高电流充电能力。用作 DCP 端口时，D 和 D+–行被短接在一起，并且没有数据传输。许多便携式设备制造商已经开发了专有的充电器协议。此外，还支持这些供应商专有的充电器配置文件和相关的最大充电电流，例如 2.0 A、2.4 A、2.1 A 和 1.0 A。主机微控制器可以通过控制三个 SEL 引脚来实现这些充电器配置文件。

图7显示了2.4 A/1.5 A USB充电器的原理图。在此应用中，微控制器利用 LT8698S STATUS 引脚和 IMON 电流监视器提供的信息，通过控制 SEL1–3 引脚输入引脚来选择所需的充电器配置文件。通过这种方式，微控制器可以优化便携式设备的充电器配置文件，以便在尽可能高的电流下安全充电。

USB 2.0 A 型		USB 3.x A 型		USB Type-C
引 脚：	V总线， 接地， D+， D	引 脚：	V总线， 接地， D+， D	引 脚：	V总线， 接地， D+， D
权力：	5 V， 1.5 A， BC 1.2 5 V， 2.4 A， 苹果 iPad	权力：	5 V， 1.5 A， BC 1.2	权力：	5 V， 1.5 A， BC 1.2 5 V， 3 A， C 型
数据	USB 2.0， 480 Mbps	数据：	USB 2.0， 480 Mbps	数据：	USB 2.0， 480 Mbps

图6.5 V、3 A、USB C 型应用。

图7.带电流监视器的 2.4 A/1.5 A 自动配置文件检测充电器。

电磁干扰解决方案

低EMI是汽车电子系统中电源的关键要求，通常预计这些电源应符合CISPR 25 5类辐射标准。LT8698S采用静音开关2技术设计，使USB电源能够满足这些严格的汽车EMI标准，而不会牺牲解决方案的尺寸、效率和稳健性。®

静音开关 2 架构在 LQFN 封装内集成了内部旁路电容器，配置为将 EMI 降至最低。旁路电容器的集成简化了电路板设计，减少了整体解决方案的占板面积，同时最大限度地降低了PCB布局对EMI性能的影响。LT8698S-1 不包括这些内部旁路电容器，但在其他方面与 LT8698S 相同。通过在SYNC/MODE引脚施加高于3.0 V的直流电压，两款器件还提供可选的扩频频率调制。图8显示了LT8698S在典型应用条件下的辐射EMI性能。

LT8698S和LT8698S-1可在300 kHz至3 MHz范围内以可编程和可同步的开关频率工作。 开关频率越高，电感和电容值越小，总解决方案尺寸就越小。图9显示，即使在2 MHz的相对较高的开关频率下，这种12 V至5 V USB解决方案也能实现93%的效率。

图8.辐射EMI性能（CISPR 25辐射发射，带峰值检测器和5类峰值限制）。

图9.5 V USB解决方案的效率和功耗曲线。

结论

USB充电端口是现代车辆信息娱乐系统的重要组成部分，面对汽车环境中预期的实际危险事件，必须应对电源、数据传输支持和鲁棒性方面的各种系统挑战。此处所示的示例使用 LT8698S USB 充电器 IC，可应对这些挑战。它们支持各种便携式设备充电器配置文件，可为 USB Type-C 充电应用提供高达 15 W 的输出功率。此外，它们还可以保护 USB 主机免受电缆故障和严重 ESD 事件等潜在危险条件的影响。LT8698S 在提供这种保护的同时，保持了 USB 主机和便携式设备之间高速 USB 数据传输所需的信号完整性。最后，静音开关2架构在不牺牲效率和解决方案尺寸的情况下提供出色的EMI性能。

审核编辑：郭婷