深入剖析 TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1：汽车 USB 充电端口的理想之选

在电子工程师的日常工作中，为汽车 USB 充电端口选择合适的控制器是一项关键任务。德州仪器（TI）推出的 TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1 这两款器件，无疑为我们提供了高性能、可靠且功能丰富的解决方案。下面我将为大家详细剖析这两款器件的特性、应用及相关设计要点，希望能帮助大家在实际项目中更好地运用它们。

文件下载：tps25868-q1.pdf

器件特性

1. 汽车级标准与 EMI 优化

这两款器件符合面向汽车应用的 AEC-Q100 标准，温度等级 1 的 $T_{A}$ 范围为 –40°C 至 +125°C，HBM ESD 分类等级 H2，CDM ESD 分类等级 C5，能在严苛的汽车环境中稳定工作。同时，它们针对超低 EMI 要求进行了优化，符合 CISPR25 5 类标准，HotRod™ 封装可最大限度地减少开关节点振铃，展频技术可降低峰值发射，为系统的电磁兼容性提供了保障。

2. 高效同步降压稳压器

同步降压稳压器在 400 KHz 下具有高效率，当 $V{IN}=12 ~V$、$I{PABUS}=3 ~A$ 且 $I{PBBUS}=2.4 ~A$ 时，效率可达 95%。其 18mΩ/10mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 降压稳压器 MOSFET，工作电压范围为 5.5V 至 26V，可承受 36V 输入，频率可在 200kHz 至 800kHz 之间调节，并且采用了具有展频频谱抖动的 FPWM，可选输出电压有 5.1V、5.17V、5.3V、5.4V 等，为设计带来了更多灵活性。

3. 高精度可编程电流限制与其他功能

内部电源路径采用 7mΩ/7mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 内部 USB 功率 MOSFET，USB 端口具有高精度可编程电流限制，在 3.4A 下为 ±10%。此外，OUT 引脚可用于辅助负载的 5.1V、200mA 电源，还具备线路压降补偿功能，在 2.4A 负载下为 90mV。同时，它们符合 USB-IF 标准 Type-C 1.3 版，在 CC 上具有 3A 电流通告能力，支持 $V{BUS}$ 应用和放电。TPS25868-Q1 具有自动 DCP 模式，符合 BC1.2 和 YD/T 1591 2009 要求；TPS25869-Q1 则具备故障标志报告和 USB 端口开/关控制功能。

器件应用

这两款器件主要应用于汽车 USB 充电端口和汽车 USB 媒体中心，能够将汽车电池的直流电压转换为 5V 直流电压，为便携式设备提供充电和供电功能，满足了汽车电子系统中对 USB 充电的需求。

器件详细说明

1. 集成式解决方案

TPS2586x-Q1 是高度集成的 USB 充电控制器系列，适用于 Type-C 和 Type-A 双端口应用。它集成了一个具有内部功率 MOSFET 的单片、同步、整流、降压开关模式转换器和两个具有充电端口自动检测功能的 USB 限流开关，能够在宽输入电源电压范围内实现出色的负载和线路调节。

2. 输出电压设置与电缆补偿

该系列器件提供四种可选的 USB 输出电压设置，可通过 VSET 引脚连接不同电阻来实现。同时，它集成了一个精密电流检测放大器，用于实现电缆压降补偿，仅在输出电压设置为 5.17V 时可用，在输出电流为 2.4A 时，电缆补偿电压为 90mV，可抵消汽车电缆布线中的导线电阻引起的压降，使便携式设备在重载下能实现更理想的电流和电压充电。

3. 安全特性

TPS2586x-Q1 针对 USB 充电和系统运行提供了多种安全特性，包括外部负热敏电阻监控、逐周期电流限制、断续短路保护、欠压锁定、BUS 过流、OUT 过流以及裸片过热保护等，有效保障了系统的安全性和可靠性。

设计要点与应用示例

1. 设计要求与参数选择

在设计过程中，需要根据具体的应用需求选择合适的参数。例如，输入电压典型值为 13.5V，范围为 8V 至 18V；输出电压设置为 5.17V；最大输出电流为 6A；开关频率推荐在 250 - 400KHz 范围内选择，以实现高效率。

2. 详细设计步骤

• 输出电压设置：通过 VSET 引脚编程输出电压，短接 VSET 到 GND 可设置为 5.17V 并启用电缆补偿功能。
• 开关频率选择：开关频率的选择需要在转换效率和整体解决方案尺寸之间进行权衡。较低的开关频率可降低开关损耗，提高系统效率；较高的开关频率则允许使用更小的电感和输出电容，使设计更紧凑。在本例中，选择 400KHz 的开关频率。
• 电感选择：根据所需的峰 - 峰纹波电流 $Delta i{L}$ 计算电感值，一般选择 $K{IND}$ 在 20% 至 40% 之间，在本设计示例中选择 $K_{IND}=0.3$，计算得到电感值约为 3.58µH，最终选择标准值 3.3µH。
• 输出电容选择：输出电容的选择需考虑其对稳态输出电压纹波、环路稳定性以及负载电流瞬变时电压过冲/欠冲的影响。根据负载瞬态要求，选择合适的电容值和类型，在本示例中选择 3 × 47 - µF 陶瓷电容以实现良好的瞬态性能。
• 输入电容选择：需要使用高质量的陶瓷电容作为高频输入去耦电容，推荐使用 X5R 或 X7R 类型，额定电压至少为应用所需的最大输入电压，最好为最大输入电压的两倍。同时，可根据需要并联一个电解电容，以提供对电缆或走线电感引起的电压尖峰的阻尼作用。
• 其他组件选择：还需要合理选择自举电容、欠压锁定设置点、电缆补偿设置点和 FAULT 电阻等组件，以确保系统的正常运行。

3. 典型应用电路与曲线

文档中给出了 TPS25868-Q1 用于双 Type - A 和 Type - C 充电端口以及 TPS25869-Q1 用于媒体 HUB 的典型应用原理图，并提供了一系列应用曲线，如效率曲线、负载调节曲线、线路调节曲线等，这些曲线为我们在实际设计中评估器件性能提供了重要参考。

电源供应与布局建议

1. 电源供应

输入电源必须能够承受最大输入电流并保持稳定的电压。如果通过长电线或 PCB 走线连接到 TPS2586x-Q1，可能需要额外的大容量电容。同时，要避免输入电压低于输出电压，必要时可在输入电源和输出之间使用肖特基二极管。

2. 布局指南

PCB 布局对 TPS2586x-Q1 的性能至关重要。需要遵循一些布局指南，如将输入旁路电容尽可能靠近 VIN 和 PGND 引脚，使用中间层的接地平面进行噪声屏蔽和散热，确保反馈和使能组件的单点接地，缩短 SW 引脚与电感的连接长度等，以实现最佳的功率转换性能、热性能和最小的 EMI 产生。

总结

TPS25868-Q1 和 TPS25869-Q1 这两款器件凭借其丰富的特性、可靠的性能和出色的集成度，为汽车 USB 充电端口设计提供了优秀的解决方案。在实际应用中，电子工程师们需要根据具体需求合理选择参数和组件，并遵循正确的设计和布局原则，以确保系统的可靠性和性能。大家在使用这两款器件的过程中，是否也遇到过一些独特的挑战呢？欢迎在评论区分享你们的经验和见解。