启用汽车 USB 电源

我们是小工具和创新的一代，几乎所有的人都在购买具有移动功能的东西。这是非常需要的，尤其是生活在繁忙的日程和约会的世界中。不幸的是，这些广泛使用的小工具也需要时不时地充电才能连续使用。当用户舒适地呆在家里或办公室时，这并不是什么大问题。然而，如果用户已经乘坐汽车，那就是另一回事了。

当今的消费者随身携带智能手机、平板电脑和媒体播放器等便携式设备 (PD)。但是，当您将这些 PD 装入汽车时，它们可能无法快速充电或根本无法充电，尤其是近的耗电 PD。此外，甚至没有足够的 USB 端口供所有乘客使用，导致消费者争夺单个 USB 端口来为其设备充电。随着 USB 预计将覆盖几乎 100% 的汽车信息娱乐系统，汽车 OEM 及其供应商需要满足这一需求。

即使是成本的车辆，汽车乘客也希望拥有功能齐全、快速充电的 USB 接入端口，而且他们还需要更多这样的端口。低成本 USB 车载充电器不是解决方案，因为它们会给车辆带来无线电干扰 (RF)。汽车 OEM 非常清楚这些 PD 充电和射频干扰问题。他们正在努力寻找可靠、成本的方法来升级现有的 USB 端口，并为每辆车添加更多的 USB 充电端口。

传统的 USB 解决方案需要四到五个分立元件才能解决这些问题。本文讨论了一种带有智能 USB 开关的新型 DC-DC 转换器，该转换器利用紧密集成来提供汽车专用 USB 电源、USB 充电枚举、端口保护，并解决了近期较高 PD 充电电流的问题。它使 USB 对于汽车制造商和消费者来说变得实用。

汽车的 USB 挑战

我们将从主要挑战开始，即当前的要求。随着各设备电池容量的增加，PD 的 USB 充电电流需求也在稳步增长。车辆 USB 端口历来限制为 500mA，但新的 PD 需要高达 1A、1.5A，甚至 5.0V 时 2.1A 的电流才能快速充电。

现在，我们来谈谈距离。由于美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 建议不要使用收音机前置 USB 端口，因此车辆的主 USB 端口通常位于手套箱中、收音机/中控台下方或座椅之间的扶手储物箱区域中。此 USB 端口位置可以是距收音机 30 厘米到 3 米的任何位置，并通过固定 USB 电缆连接。一旦 PD 连接到此远程 USB 端口，PD 就会吸取电流并尝试充电。流经 USB VBUS (+5V) 电源线和 USB 接地线电阻的电流会在固定电缆上产生压降 (I × R)。当PD处的电压低于USB规范时，会导致充电电流减小和充电时间延长。请参见图 1。例如

还有射频问题。为了拥有更多的 USB 充电端口，消费者将点烟器式 USB 车载充电器带入车内。OEM 无法控制这些简单充电器中 DC-DC 转换器的质量、工作频率或拓扑。不足为奇的是，这些 USB 车载充电器中设计不良的 DC-DC 转换器可能会干扰 AM 接收器，为 FM 接收器产生静电，干扰智能手机的触摸屏，并降低 GPS 和无源等嵌入式车辆 RF 功能的灵敏度录入系统。所有这些问题都会导致消费者和 OEM 品牌体验不佳。

解决射频干扰和电缆掉落问题

为了防止消费级USB车载充电器造成的射频干扰，应在汽车中集成更多车载USB端口。这些车载 USB 端口中使用的 DC-DC 转换器必须具有关键性能特征。首先，它需要一个固定频率、脉宽调制 (PWM) 拓扑，以提供良好预测的开关谐波和 EMI 特性。为了避开 AM 频段，设计人员可以切换到 550kHz 以下或 2MHz 以上，以避免干扰调谐器。如果低于 AM，DC-DC 转换器必须具有外部数字 SYNC 输入，以允许微处理器设置转换器的开关频率并避免 AM 调谐器频率。如果高于 AM，则不会发生 AM 干扰，这是方法。然而，在2MHz以上，DC-DC转换器将具有更高的开关损耗、更快的开关时间，

为了获得的 FM 接收效果，必须避免 10.7MHz IF 频率并消除 FM 频段本身的谐波。在 AM 频段之上切换可以更容易地避免 10.7MHz，因为谐波间隔更远。使用 2.2MHz 是工作频率，因为第四谐波为 11MHz，使其距离 10.7MHz IF 为 300kHz。为了避免 FM 频率本身，DC-DC 转换器需要一个内部扩频振荡器。这会抖动 2.2MHz 工作开关频率，以便 FM 频段中的谐波不会干扰主 FM 载波信号。参见图 2。

DC-DC 转换器在空载时保持固定频率（到 PD 的 DC USB 电流为零）至关重要。这消除了由 SKIP（突发）模式操作引起的低频谐波，并防止它们干扰智能手机的触摸屏或 100kHz 无源进入系统。为了在空载电流下保持固定频率运行，DC-DC 转换器必须具有内部低侧同步 FET 和控制环路拓扑，以便在无 DC 时将电流传入或传出转换器输出上的电容器。存在 USB 负载电流。参见图 3。

有一种方法可以增加收音机中的 USB 电压并克服固定 USB 电缆的压降。您需要感测 DC USB 负载电流，将其通过跨阻放大器 (TIA)，并调整 DC-DC 转换器的主控制环路：

Vout = Vnoload + Iload × Gi × Gv

为了获得 USB 并在高达 1.5A 的负载电流下将 PD 电压保持在 4.75V 至 5.25V 之间，该方法的拓扑、总体精度和带宽都至关重要。

在此架构中，PD 处的电压为：

Vpd = Vout – Iload × Rcable –> Vpd = Vnoload + Iload × Gi × Gv – Iload × Rcable

参见图 4。

250mV ≥ ΔVnoload + Iload × Δ(Gi × Gv) – Iload × ΔRcable

考虑到上面的等式、1.5A 负载要求和 ±17% 的典型 OEM 电缆容差，我们可以得出结论：

电缆容差设置系统中剩余的允许误差。

DC-DC 转换器输出电压和 TIA 的剩余精度将限制电缆长度。方法的度越低，总电阻越大，自留电缆越短。参见图 5。

DC-DC 转换器必须具有非常的空载输出电压，因为无论负载电流如何，它都会直接转换到 PD。需要 1% 或更高的精度。

MAX16984中集成的TIA经过微调且非常。相比之下，当使用具有分立式 TIA 的 DC-DC 转换器时，容差会快速累积。

DC-DC 转换器还有一个经常被忽视的关键特性。如上所述，它必须具有具有宽闭环带宽 (> 200MHz) 的源和汇拓扑。（参见图 3。）需要此拓扑在负载电流阶跃期间快速增加（拉电流）和快速减少（灌电流）DC-DC 转换器的输出电压。此外，集成TIA还必须具有较宽的带宽。该转换器设计可防止任何过压瞬变到达 PD。

实现强大的汽车解决方案

随着 USB 几乎渗透到所有汽车中，汽车 OEM 需要一个可供任何消费者的 PD 访问的功能齐全、低成本、快速充电的 USB 端口。车辆必须有多个专用 USB 充电端口（仅充电）。所有这些 USB 功能都需要采用小型、高度可靠的集成解决方案，适用于高端和成本的车辆。

强大的汽车解决方案需要额外的 ESD 保护，以保护 USB 数据线免受 OEM 扩展 ±25kV 要求的影响；智能 USB IF BC1.2 数据枚举器，使 PD 能够快速充电；USB 数据开关保护器，用于将收发器 USB 数据线与 +5V VBUS 线短路和接地短路隔离；宽工作电压（4.5V至42V）、固定频率（空载至满载）、灌/源+5V DC-DC转换器，防止车辆射频干扰；的固定电缆电压调节电路，用于提高 DC-DC 转换器的输出电压，以在固定 USB 电缆末端维持 +5V；的直流电流限制，可保护 +5V VBUS 免遭接地短路。当然，该解决方案必须使用完全符合 AECQ-100 标准的组件。