汽车USB充电端口的理想之选：TPS2583x-Q1同步降压稳压器

在汽车电子领域，USB充电端口的性能与稳定性至关重要。德州仪器（TI）推出的TPS2583x-Q1系列同步降压直流/直流稳压器，为汽车信息娱乐系统、USB媒体中心及充电器端口等应用提供了卓越的解决方案。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：tps25831-q1.pdf

特性亮点：集成保护与高效稳压的完美结合

集成式保护，为系统安全保驾护航

TPS2583x-Q1具备全面的集成式保护功能，涵盖了$V{BUS}$对$V{BAT}$短路保护、DP_IN和DMIN对$V{BAT}$和$V{BUS}$短路保护，以及CC1和CC2线对$V{BAT}$短路保护等。同时，其DP_IN、DM_IN符合CCx IEC 61000 - 4 - 2标准，能有效抵御静电放电的影响。该产品还符合面向汽车应用的AEC - Q100标准，温度等级可达 - 40°C至 + 125°C，具备HBM ESD分类等级H2和CDM ESD分类等级C5，并且提供功能安全相关文档，有助于进行功能安全系统设计。

同步降压直流/直流稳压器，性能卓越

作为一款同步降压直流/直流稳压器，TPS2583x-Q1的输入电压范围为4.5V至36V，输出电流可达3.5A，输出电压为5.1V，精度高达±1%。它采用电流模式控制，频率可在300kHz至2.2MHz之间调节，还能与外部时钟频率同步，具备扩频频谱抖动的FPWM模式，内置补偿功能，使用起来更加便捷。

符合USB标准，满足多样化需求

该产品符合USB - IF标准，支持USB Type - C® 1.3版，具备CC逻辑、VCONN拉电流和放电电流，以及USB电缆极性保护$(overline{POL})$。同时，它还符合USB BC1.2规范的CDP/SDP模式，TPS25831 - Q1还具备自动DCP模式，支持DCP短路模式和YD/T 1591 - 2009标准，以及2.7V分压器3模式。此外，它还能承受±8kV接触放电和±15kV空气放电，具备故障标志报告功能，采用具有可湿性侧面的32引脚QFN封装。

工作原理：精准控制与高效转换

降压调节器：稳定输出的核心

TPS2583x - Q1是一款同步降压调节器，集成了高端（HS）和低端（LS）开关（同步整流器）。通过控制HS和LS NMOS开关的占空比，它能提供稳定的输出电压。在高端开关导通期间，SW引脚电压升至约$V_{IN}$，电感电流$iL$以线性斜率增加；当HS开关关闭后，经过一段抗直通死区时间，LS开关导通，电感电流通过LS开关放电。调节器控制回路通过调整占空比D来维持输出电压恒定，在理想情况下，D与输出电压成正比，与输入电压成反比。

开关频率与同步：灵活调节与协同工作

其开关频率可通过RT/SYNC引脚与GND引脚之间的电阻$R{T}$进行编程，计算公式为$R{FREQ }(k Omega)=26660 × f_{SW }^{-1.0483}(kHz)$。同时，该产品还能与300kHz至2.3MHz的外部时钟同步，当RT/SYNC引脚连接外部时钟时，通过交流耦合正边沿可实现内部振荡器的同步。不过，当使用外部时钟同步时，扩频功能将关闭。

电缆补偿：克服电压降的有效手段

当负载通过长或细的导线汲取电流时，会产生IR降，导致负载端电压降低。TPS2583x - Q1通过检测负载电流，根据$R{SNS}$、$R{SET}$和$R{IMON}$电阻设置的增益，线性增加CSN/OUT引脚的电压，以补偿充电路径中的IR降，确保无论负载条件如何，USB连接器处的$V{BUS}$电压都能保持在5V左右。

应用设计：合理选型与布局优化

设计流程：参数确定与元件选择

在设计TPS2583x - Q1应用电路时，首先需要确定一些关键参数，如电缆补偿所需的总电阻、充电端口的最大连续输出电流等。然后，根据这些参数选择合适的元件，包括电感、输出电容、输入电容、自举电容、VCC电容等。

元件选择要点

• 电感：电感的电感值、饱和电流和额定电流是关键参数。电感值应根据所需的峰 - 峰纹波电流$Delta i_{L}$来计算，一般建议电感电流纹波占最大输出电流的20% - 40%。在选择电感时，应综合考虑瞬态响应、DCR和尺寸等因素。
• 输出电容：输出电容的值和ESR决定了输出电压纹波和负载瞬态性能。通常，输出电容组受负载瞬态要求的限制，可通过相关公式估算所需的总输出电容和ESR上限。
• 输入电容：输入电容应包括高频去耦电容和大容量电容。高频去耦电容应选用高品质的陶瓷电容，大容量电容的选择则需考虑汽车电池到TPS2583x - Q1 IN引脚的引线长度、发动机冷启动或热启动要求等因素。

布局注意事项

布局对于电源设计至关重要，合理的布局能提高电源转换性能、热性能，并减少不必要的EMI。以下是一些布局指南：

• 输入电容：输入旁路电容$C_{IN}$应尽可能靠近IN和PGND引脚放置，输入和输出电容的接地应采用局部顶层平面连接到PGND引脚和PAD。不同值和封装的电容组合有助于提高EMC性能。
• $V_{CC}$旁路电容：$V_{CC}$旁路电容应靠近VCC引脚放置，并接地到器件地。
• 接地平面：建议使用中间层的实心接地平面，为敏感电路和走线提供屏蔽，并为控制电路提供稳定的参考电位。
• 热焊盘：QFN封装的热焊盘应焊接到PCB接地平面，作为散热路径，可使用热过孔将热焊盘连接到系统接地平面散热器。
• SW引脚与电感：SW引脚与电感的连接应尽可能短，且电流路径应保持笔直，避免L形或T形路径导致的阻抗突变。输出电容应靠近电感的$V_{OUT}$端放置，并紧密接地到PGND引脚和暴露的PAD。
• 感测和设置电阻：$R{SNS}$和$R{SET}$电阻应连接到CSP和CSN/OUT引脚的电流感测放大器输入，为确保电流限制和电缆补偿的准确性，建议使用短而平行的走线。

应用案例：典型设计与性能曲线分析

典型应用电路

TPS2583x - Q1仅需少量外部元件，就能将宽电压范围的输入转换为5V输出，为USB设备供电。其集成的降压调节器内部经过补偿，能与合理选择的外部电感和电容配合，实现稳定的性能。

性能曲线分析

通过一系列性能曲线，如降压效率与输出电流的关系、负载调节和线性调节曲线等，可以直观地了解TPS2583x - Q1在不同条件下的性能表现。这些曲线有助于工程师在设计过程中进行参数优化，确保系统满足实际应用的需求。

总结

TPS2583x - Q1同步降压稳压器凭借其丰富的特性、卓越的性能和灵活的应用设计，为汽车USB充电端口提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师应根据具体需求，合理选择元件、优化布局，以充分发挥该产品的优势，实现高效、稳定的USB充电功能。你在使用这款产品时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。