汽车USB充电新选择：TPS2585x-Q1深度解析

在汽车电子领域，USB充电端口的需求日益增长，对充电效率、稳定性和兼容性的要求也越来越高。德州仪器（TI）的TPS2585x-Q1系列产品，为汽车USB充电端口提供了一个高度集成的解决方案。本文将深入探讨TPS2585x-Q1的特点、功能、应用及设计要点，帮助工程师更好地理解和应用这款产品。

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一、TPS2585x-Q1概述

TPS2585x-Q1是一款专为汽车应用设计的集成式USB充电端口解决方案，包含TPS25850-Q1、TPS25851-Q1和TPS25852-Q1三个型号。它集成了同步直流/直流转换器、检测和控制功能，可提供最大6.6A的电流，支持USB电池充电1.2和Type-C端口标准，适用于汽车USB充电端口和媒体中心等应用。

二、产品特性亮点

2.1 汽车级标准与低EMI设计

• 符合AEC-Q100标准：温度等级1，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，具备HBM ESD分类等级H2和CDM ESD分类等级C5，确保在汽车环境中的可靠性。
• 低EMI优化：符合CISPR25 5类标准，采用HotRod™封装减少开关节点振铃，展频技术降低峰值发射，有效减少电磁干扰。

2.2 高效同步降压稳压器

• 高效率：在2.1MHz下，当$V{IN}=13.5V$、$I{PA_BUS}=3A$且$I_{PB_BUS}=3A$时，效率可达93.4%。
• 宽工作电压范围：工作电压范围为5.5V至26V，可承受36V输入，适应不同的汽车电源系统。
• 频率可调节：开关频率可在200kHz至3MHz之间调节，可根据应用需求选择合适的频率，避开AM无线电频带或使用较小的电感器。

2.3 低导通电阻与高精度电流限制

• 低$R_{DS(ON)}$：降压稳压器MOSFET的$R{DS(ON)}$低至18mΩ/10mΩ，内部USB功率MOSFET的$R{DS(ON)}$低至7mΩ/7mΩ，降低功率损耗。
• 高精度可编程电流限制：USB端口的电流限制精度在3.4A下为 ±10%，可根据需要进行精确设置。

2.4 其他特性

• 内部电源路径：集成了7mΩ/7mΩ低$R_{DS(ON)}$内部USB功率MOSFET，提供高效的电源路径。
• 线路压降补偿：在2.4A负载下，线路压降补偿可达90mV，确保在长电缆或高负载情况下的充电效果。
• OUT电源：可提供5.1V、200mA的辅助负载电源。

三、功能详细解析

3.1 电源控制与保护

3.1.1 电源关断与欠压锁定（UVLO）

当IN端子电压低于$V{UVLO}$时，器件进入低功耗模式，所有端子呈高阻抗状态。当IN电压高于$V{UVLO}$阈值时，根据EN/UVLO引脚电压，器件进入睡眠模式或活动模式。EN/UVLO引脚电压高于$V_{EN/UVLO - H}$时，内部调节器启动并开始监控CCn线，以检测有效的Type-C连接。

3.1.2 输入过压保护（OVP）

当输入源出现过压时，降压调节器的HSFET/LSFET立即关闭，USB端口和OUT引脚失去电源。过压恢复正常后，降压调节器继续工作，为USB端口和OUT引脚供电。在过压期间，内部调节器将SENSE电压调节在5V，为内部偏置电路和外部NTC上拉参考提供电源。

3.2 降压转换器

TPS2585x-Q1集成了单片、同步、整流、降压开关模式转换器，采用峰值电流模式控制和内部补偿，可在宽输入电源范围内实现高达6.6A的连续输出电流，并具有出色的负载和线路调节能力。其工作原理是通过控制高侧（HS）和低侧（LS）NMOS开关的占空比来调节输出电压，在连续导通模式（CCM）下，SW引脚电压在HS开关导通时升至约$V_{IN}$，LS开关导通时电感电流通过LS开关放电。

3.3 频率设置与同步

3.3.1 FREQ/SYNC引脚

开关频率可通过连接在FREQ/SYNC引脚和AGND引脚之间的电阻$R{FREQ}$进行编程，计算公式为$R{FREQ}(kΩ)=26660 × f_{SW}^{-1.0483}(kHz)$。同时，FREQ/SYNC引脚还可用于将内部振荡器同步到外部时钟，外部时钟信号的AC耦合峰值 - 峰值电压需超过1.2V（典型值），且最小SYNC时钟HIGH和LOW时间需长于100ns（典型值）。

3.4 电流限制与短路保护

3.4.1 USB开关可编程电流限制

TPS2585x-Q1采用两级电流限制方案，包括典型电流限制$I{OS_BUS}$和二级电流限制$I{OS_HI}$，$I{OS_HI}$为$I{OS_BUS}$的1.6倍。通过连接在ILIM引脚的电阻$R{ILIM}$可设置电流限制阈值，计算公式为$R{ILIM}(KΩ)=frac{32273}{I_{OS_BUS}(mA)}$。在正常应用中，可将ILIM引脚直接接地，设置默认的3.55A电流限制。当出现过载情况时，根据不同的电流情况，器件会采取相应的保护措施，如快速关断、进入打嗝模式等。

3.4.2 联锁机制

为避免两个USB端口同时拉出大电流导致DC/DC调节器过载，TPS2585x-Q1采用联锁机制。当一个USB端口电流超过$I{OS_BUS}$阈值时，另一个USB端口的电流限制阈值立即被覆盖为$I{OS_BUS}$，确保DC/DC调节器有足够的能量维持输出电压。

3.4.3 逐周期降压电流限制

在电感电流的峰值和谷值都有逐周期电流限制。高侧MOSFET过流保护通过峰值电流模式控制实现，低侧MOSFET电流也被监测和限制，以确保系统的安全性。

3.4.4 OUT电流限制

OUT引脚可提供200mA的电流为辅助负载供电，当OUT电流达到电流限制水平时，OUT引脚MOSFET进入恒流限制模式。若过流情况持续超过4.1ms，将进入打嗝模式。

3.5 电缆补偿

当负载通过长或细的导线吸取电流时，会产生IR压降，降低负载端的电压。TPS2585x-Q1具有内置的电缆补偿功能，当VSET引脚接地时，随着负载电流的增加，SENSE引脚的电压线性增加，以维持负载端电压的相对恒定。在输出电流大于2.4A时，电缆补偿电压为90mV。

3.6 热管理

3.6.1 温度传感与OTSD

TS输入引脚可实现用户可编程的热保护，其阈值与$V{sense}$成比例。当$V{TS}=0.5 × V{SENSE}$时，Type-C端口的电流通告自动降低到1.5A水平；当$V{TS}=0.65 × V_{SENSE}$时，广播默认USB电源模式，降压调节器输出电压降低到4.77V；若温度继续升高达到OTSD阈值，器件将进行热关断。

3.6.2 热关断

器件具有内部过温关断阈值$T{SD}$，当器件温度超过$T{SD}$时，器件关闭。当芯片温度降至154°C（典型值）以下时，器件重新启动。

3.7 USB功能

3.7.1 USB使能控制（TPS25852-Q1）

PA_EN和PB_EN引脚分别用于控制PA_USB和PB_USB的开关，当Px_EN引脚拉高时，USB开关激活；拉低时，USB开关关闭并进行输出放电。可将Px_EN连接到SENSE引脚实现自动启动，也可通过外部信号进行控制。

3.7.2 故障指示（TPS25851-Q1和TPS25852-Q1）

PA_FAULT和PB_FAULT引脚分别用于指示PA_USB和PB_USB的故障情况。在正常情况下，FAULT引脚为开漏状态；当USB开关进入打嗝模式或触发过温热关断（OTSD）时，Px_FAULT引脚被拉低。

3.7.3 USB规范支持

TPS2585x-Q1支持多种常见的USB充电方案，包括USB Type-C（1.5A和3A通告）、USB电池充电规范BC1.2 DCP模式、中国电信行业标准YD/T 1591 - 2009、Divider 3模式和1.2-V模式。

四、应用与设计要点

4.1 典型应用

TPS2585x-Q1通常用于汽车系统中，将车辆电池的直流电压转换为5V直流电压，为USB设备供电。其典型应用电路只需几个外部组件，集成的降压调节器为内部补偿，优化了外部电感和电容的选择，以满足应用需求和控制环路的稳定性标准。

4.2 设计步骤

4.2.1 输出电压设置

通过VSET引脚可设置输出电压，将VSET引脚接地可设置输出电压为5.17V并启用电缆补偿功能。不同的VSET配置对应不同的输出电压，具体可参考相关表格。

4.2.2 开关频率选择

推荐的开关频率范围为250kHz - 400kHz以实现高效率，也可根据需要选择其他频率。选择开关频率时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；较高的开关频率可使用更小的电感和输出电容，实现更紧凑的设计。

4.2.3 电感器选择

电感器的关键参数包括电感值、饱和电流和额定电流。电感值根据所需的峰 - 峰纹波电流$Delta i{L}$计算，通常选择使电感纹波电流相对器件最大输出电流的系数$K{IND}$在20% - 40%之间。同时，电感器的电流额定值必须高于器件的电流限制。

4.2.4 输出电容选择

输出电容的选择直接影响稳态输出电压纹波、环路稳定性以及负载电流瞬变时的电压过冲或下冲。一般根据负载瞬态要求选择合适的电容值和ESR，以确保在负载变化时输出电压能保持在规定范围内。

4.2.5 输入电容选择

TPS2585x-Q1需要高频输入去耦电容，推荐使用高质量的X5R或X7R陶瓷电容，其额定电压应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。此外，还可根据需要使用电解电容，以提供对电缆或走线电感引起的电压尖峰的阻尼。

4.2.6 自举电容选择

自举电容（CBOOT）推荐值为100nF，额定电压为16V或更高，应使用高质量的X7R或X5R陶瓷电容，以确保温度稳定性。

4.2.7 欠压锁定设置

系统欠压锁定（UVLO）可通过外部电阻分压器网络$R{ENT}$和$R{ENB}$进行调整，其上升和下降阈值可根据相应公式计算。注意不能直接将EN引脚连接到IN引脚以实现自启动，可将EN引脚连接到VSENSE引脚，在输入电压在工作范围内时实现自动启动。

4.2.8 电缆补偿设置

将VSET引脚接地可启用电缆补偿功能，此时降压调节器的输出电压将随负载电流的增加而线性增加，在USB端口电流大于2.4A时，电压补偿为90mV。

4.3 布局指南

PCB布局对TPS2585x-Q1的性能至关重要，以下是一些布局建议：

• 输入旁路电容：$C_{IN}$应尽可能靠近IN和PGND引脚放置，输入侧的高频陶瓷旁路电容为脉冲电流的高di/dt分量提供主要路径。
• 接地平面：使用中间层的接地平面作为噪声屏蔽和散热路径，AGND和PGND引脚应通过过孔连接到接地平面。
• 自举电容：$C_{BOOT}$电容应靠近器件放置，使用短而宽的走线连接到BOOT和SW引脚。
• SW引脚：连接到电感的SW引脚应尽可能短，宽度应足以承载负载电流而不过度发热。
• 电阻放置：$R{ILIM}$和$R{FREQ}$电阻应尽可能靠近ILIM和FREQ引脚，并连接到AGND。
• 总线连接：使$VIN$、$SENSE$和接地总线连接尽可能宽，以减少转换器输入或输出路径上的电压降，提高效率。
• 散热设计：提供足够的PCB面积用于散热，确保有足够的铜面积以实现低$R_{theta JA}$，可使用热过孔将暴露的焊盘连接到底层PCB的接地平面。
• CC线：保持CC线长度相近，避免在CC线上创建短截线或测试点。

五、总结

TPS2585x-Q1系列产品为汽车USB充电端口应用提供了一个高度集成、高效且可靠的解决方案。其丰富的功能和特性，如低EMI设计、高精度电流限制、电缆补偿和热管理等，能够满足汽车电子系统对USB充电的严格要求。在设计应用时，工程师需要根据具体需求选择合适的参数和外部组件，并遵循合理的布局指南，以确保系统的性能和稳定性。你在使用这款产品时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。