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5000字長文解讀車載USB供電的方方面面

2020年02月25日10:21:21 本網站 我要評論(2)字號:T | T | T

摘要:哪有白來的充電方便,都是工程師在幕后想了很多辦法。面向未來,不支持USB Type-C接口的汽車不要買。

 

隨著便攜式電子設備的廣泛普及,用戶在開車時為自己的設備充電變得越來越頻繁。USB供電功能讓設備充電變得極為便利。USB的高數據率也讓新一代信息娛樂系統支持豐富多樣的車載功能,如音頻播放、屏幕和應用共享,以及數據連接等等。

 

傳統USB Type-A接口已經廣泛應用于汽車OEM廠商的各種車型,其供電能力較高為7.5W5V電壓,較高1.5A電流)。隨著USB Type-C接口在PC機、智能手機和其它便攜式電子設備上快速普及,USB Type-A接口正迅速被淘汰。USB Type-C半導體市場預計出貨量到2022年將超過9億片(來源:Gartner 2018年報告和賽普拉斯估計)。

 

USB Type-A接口相比,USB Type-C接口結構更緊湊,具備通用連接,可正反插,線纜插拔無方向性限制(Type-C線纜兩端插頭完全相同)。此外,它還能顯著提高輸出功率,較高可達100W20V電壓,較高5A電流)。由于能夠提供遠高于7.5W的功率,它能實現極富吸引力的新使用模式,可以快速充電,能夠同時為車內不斷增加的有源設備充電,如平板電腦、筆記本電腦乃至電動剃須刀(參見圖1)。

1.為各種設備充電所需的功率以及能夠滿足要求的USB規范。

 

要將具有新一代供電能力的USB Type-C接口植入汽車中,涉及的工作遠不止提高供電端口電壓和電流這么簡單,它還要求采用不同于跟商品級和消費級產品USB口的設計方法。在本文中,我們將探討如何在車輛內使用USB,USB Type-CPDPower Delivery)控制器應具備的功能,互操作性的影響,以及USB Type-C設計應考慮的主要因素。

 

Power Delivery(協商供電)的妙處

 

我們所處時代的節奏在不斷加快,我們需要能更快、更頻繁地為我們的設備充電。如果擁有100W供電能力,就能在約15分鐘內同時為筆記本電腦和手機充滿電。

 

提高供電能力是車載USB的關鍵。雖然用戶可以使用Type-A USB-C的適配器,通過車上的老端口為新手機充電,但是這樣做不能充分發揮USB Type-C接口的優勢。具有USB Type-C接口的新一代手機雖然具備快充能力,卻受制于USB Type-A接口的7.5W供電能力。顯然,全功率供電將對客戶滿意度和車型差異化優勢有著重要的作用。

 

一般來說,汽車OEM廠商無需為車上的每一個USB Type-C端口提供全功率100W電力。為了在不嚴重影響充電時間或可靠性的前提下降低成本,可在多個端口間共享100W供電功率,實現所謂的動態負載共享。在總功率100W的情況下,配合相應的固件,當有第二個設備插入時,USB PD控制器可進行智能的分配,將一個USB Type-C端口的功率降低至60W,而第二個插入的設備可以獲得40W功率(參見圖2)。

 

2.為降低成本,可在多個端口間共享100W供電功率,即所謂的動態負載共享。A)單個設備以100W功率充電;B)在第二部設備插入后,兩部設備可共享端口提供的功率。

 

USB Type-CPD控制器

 

為處理USB Type-CPower DeliveryPD)協議的復雜性,PD控制器集成了帶有PD邏輯的嵌入式微處理器。典型情況下,該微處理器的固件由處理器制造商提供,要么是一個可下載文件,要么是由開發環境直接生成。

 

汽車OEM廠商要在車輛的長生命周期中提供高可靠的解決方案,通過USB認證只是較低要求?刂破鲬玫匠墒斓能浖䲢VС,并通過市場檢驗,這樣才能保證USB子系統的可靠性。此外,互操作性也十分必要。因為兩個符合USB規范的設備也未必能一起工作。

 

互操作性在汽車應用中起著重要的作用,互操作性差,會給用戶滿意度造成負面影響。USB端口已發展成為汽車的一項重大功能,從充電、音樂流媒體到智能手機交互,越來越多的功能使用USB端口。購買汽車時,人們有時更關心是否能夠輕松地連接手機和播放音樂,而不是發動機運轉有多良好。

 

汽車的使用壽命很長,它們不僅需要與當今市場上幾乎每一種智能手機、平板電腦和筆記本電腦實現互操作,還需要與今后幾年推出的電子設備實現互操作?紤]到普通智能手機每兩年更換一次,互操作就變得更為重要。

 

此外,就如許多標準一樣,USB PD標準會隨時間推移而演進發展。例如,當前標準支持具備可編程供電(PPS)功能的Power Delivery 3.0Quick Charge (QC) 4.0。如果這些規范中的任意一種規范發生變化(實際上USB Type-C規范和PD規范一直處于變化中),汽車可能就不能完全兼容市場上的新型設備。

 

實現高可靠、互操作性的唯一途徑是使用可編程的USB控制器。使用可編程控制器有助于對USB PD協議棧進行升級,使之能與較新設備實現互操作。因為汽車有如此眾多組件需要使用軟件運行,司機們的習慣是,這些軟件升級對車主是透明的。因為當一輛車進行維護保養時,技術人員一般會從升級固件開始。

 

控制器雖然擁有嵌入式處理器,但它未必具有可編程能力。以固定功能的USB控制器為例,它不需要編程,銷售價格也較低。作為替代品的可配置控制器,能提供數量有限的、預先編程的配置選項。

 

固定功能控制器與可配置控制器很適合消費類電子設備(如USB鼠標)等應用。此類應用的產品壽命較多只有幾年時間,而且產品交互簡單,只需與數量有限、且明確定義的幾種設備進行互操作(如PC機和筆記本電腦)。

由于可編程USB控制器能讓開發人員充分發揮控制器的各項功能,為多種設備的互操作和各種用例提供較佳體驗。通過反饋,控制器能動態調整和調校自身設置,以針對具體設備優化性能。此外,在引入新標準或發生意外問題的時候,通過固件升級,這種USB控制器足以靈活地解決這些問題。這就有助于汽車OEM廠商在車輛的整個使用壽命中確;ゲ僮、質量和可靠性。

 

值得一提的是,充分發揮這種控制器的各項功能,并不需要開發人員直接為控制器編程。開發人員使用先進的開發工具,就能定義控制器的各種工作模式。接著,開發工具能自動生成正確的固件。這些工具也簡化了更新控制器的過程。

 

此外,一些USB控制器制造商還負責管理新USB設備的互操作性,為車上USB-C口提供升級用的固件,以應對規范的變化。汽車OEM廠商也就沒有必要專門安排工程資源來自行從事這方面的工作。

 

車載USB控制器不同于標準化商品。試想,如果USB鼠標停止工作,不到10美元就可以更換。但如果車載USB端口停止工作,則需要昂貴的質保維修才能恢復。因此,車載USB控制器必須符合更高標準。良品率必須遠高于消費類產品。汽車應用的電子設備必須能夠承受更高的工作溫度。汽車組件的保修年限遠遠長于普通消費類電子產品。例如,消費類控制器的保修年限可能很短,而汽車OEM廠商要求的保修年限則超過10年。

 

保障車規級可用性的五項技術

 

設計擁有更大供電能力的USB Type-C子系統,主要挑戰之一是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護以及高壓柵級驅動器。此外,還需要線纜補償,以保障車上信號通過長線纜時的信號質量。汽車的內部空間往往很局促,且時常在惡劣的環境條件下工作,為了實現可靠運行,還需要加溫度控制,控制功率,以防過熱和損壞。此外,在向USB Type-C過渡的過程中,OEM廠商需要支持傳統的USB Type-A設備。

 

電路保護:USB端口的現實使用環境中,USB電路需要防范一系列電氣事件。其中,較常見的就是靜電放電(ESD)。例如,乘客在塑料椅子上來回挪動或摩擦地毯就會累積靜電電荷。如果他們觸碰暴露在外的USB端口,就可能破壞車內精密的電子設備,這些設備維修難度大,維修成本高。

 

為了防止ESD,系統需要與屏蔽地連接,這樣就能安全地耗散能量。理想的話,控制器應集成ESD防護功能。通常,8 KV的接觸放電防護和15 KV的空氣放電防護足以保護控制器不會因ESD事件損壞。此外,也可以在PCB上加裝額外的ESD保護二極管,進一步增強保護。

 

USB端口還需要防范意外的過壓(OV)和過流(OC)情況。過壓和過流常發生在設備充電的過程中。在啟動充電時,設備和供電系統要在電流和電壓上保持一致。然而,如果系統提供錯誤的電壓或電流,就需要觸發過壓保護(OVP)或過流保護(OCP)電路,起到保護設備的作用。

 

此外,短路保護也是必要的。在將線纜按一定角度拉拽時,Vbus引腳可能與某一個數字引腳瞬間短路。Vbus的電壓可高達20V,而數字引腳僅能承受5V,這種短路會損壞相關的端口。與Type-A端口相比,短路保護對于USB Type-C端口顯得更加重要。這是因為,Type-C端口在更緊湊的空間中塞入了22個引腳(而Type-A9個),從而提高了Vbus的短路概率。

 

理想情況下,USB控制器應集成短路保護功能。短路保護可以重置,這樣發生短路時不會損壞控制器。之后可以重置控制器以恢復該Type-C口功能,這樣短路事件就成為暫時的可恢復事件,不必召回車輛入店維修。如果沒有集成短路保護功能,控制器可能被燒毀,導致嚴重問題。

 

高壓柵級驅動:為了支持后向兼容,USB Type-C接口的默認電壓為5V。在供電電壓確定后,控制器可能需要從5V FET切換到20V FET,以支持更高功率的供電。如果該功能未集成在控制器中,則需要外加電路來驅動更大功率的FET,以便為Vbus提供20V電壓。

 

線纜補償:為方便起見,USB端口可能布局在車內各處,比如中控臺、后座間的中央儲物盒和/或雜物箱內。對于不單用于供電的USB端口(如數據功能),USB控制器還很有可能用于信息娛樂系統。將儲物盒中的端口連接到信息娛樂系統可能需要長達10英尺的USB線纜。使用如此長的線纜可能造成嚴重的壓降,對信號質量和可靠性造成不利影響。

 

為了保持長線纜中的信號質量處于可靠的工作范圍內,控制器可以施加補償。簡單來說,控制器內的固件可調節輸出電壓,以補償超長線纜產生的壓差。這種補償可根據使用的線纜長度采取固定數值,控制器也可以通過定期對接收到的信號進行監控、修改補償調節量,進行動態壓降補償。

 

過溫功率控制:采用USB Type-C的另一挑戰是如何解決高達100W功率充電時產生大量熱的問題。過熱可能造成一系列問題,包括引發火災和/或損壞正在充電的設備。臨近的、對熱比較敏感的組件,如信息娛樂系統或導航系統的電子設備,也可能受到不利影響。過大的熱耗散甚至可能破壞USB端口本身,需要昂貴的維護或保修。

 

過溫功率控制是防止過熱的有效方法。布置在敏感組件旁邊的熱傳感器在接近熱閾值時會警示控制器?刂破麟S即降低充電功率。降低功率后,發熱減少,系統便可以冷卻下來。與此同時,連接的設備仍然在充電,只是速度降低。這種安全功能應集成在控制器的微處理器中,并對用戶透明。

 

支持傳統的USB Type-A口:雖然新設備將采用USB Type-C接口,但是使用USB Type-A接口的設備仍有數十億之多。汽車OEM廠商需要提供Type-A端口,為這些傳統設備提供支持。不必設計兩個單獨的USB子系統,現有的控制器能同時支持Type-A端口和Type-C端口(參見圖3)。這類一體化控制器在簡化系統設計的同時,較大限度地降低了總BOM成本。


賽普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同時支持Type-C端口和Type-A端口,因此用戶既能連接Type-C端口設備并實現快速充電,也能連接他們的傳統Type-A端口設備并為其充電。

 

為了確保電源的可靠性,需要實現上述所有功能。這樣會顯著增加車載USB Type-CPD子系統的成本和空間占用。面向汽車市場的USB控制器將這些功能和其他功能集成在一起(參見圖4),確保全部組件都達到車規要求,可以很好地協同工作、降低成本、簡化設計。減少需要裝配的元件數量還可以減少潛在的故障點,提高可靠性。

 

4.面向汽車市場設計的USB Type-C控制器,比如這里顯示的賽普拉斯CCG3PA,通過集成必要組件,確保高可靠供電、降低成本、簡化設計,同時在車輛的使用壽命中保持良好的互操作性。

 

賽普拉斯是歷代USB技術的領先供應商。汽車OEM廠商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器,能把Power Delivery 3.0Quick Charge 4.0的全部優勢提供給自己的客戶。CCG3PA評估套件可為USB Type-C電源適配器/充電器和充電寶設計提供全面的支持,包括固件生成。

 

隨著USB PD迅速成為汽車的標配功能,能與新一代便攜式設備互操作成為關鍵。汽車需要支持USB Type-C接口。從USB Type-A升級到USB Type-C還能支持快速充電等新的功能。為了在車輛的整個使用壽命周期中保持高質量和互操作性,設計人員需要足夠靈活的可編程控制器,以適應USB規范變化、并與基于新規范的未來產品進行互操作。通過將關鍵功能集成到控制器中,為內部電子設備提供保護,OEM廠商既能保障可靠性,也能較大限度地降低系統成本。

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