5000字長(zhǎng)文解讀車(chē)載USB供電的方方面面

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

 

隨著便攜式電子設(shè)備的廣泛普及，用戶在開(kāi)車(chē)時(shí)為自己的設(shè)備充電變得越來(lái)越頻繁。USB供電功能讓設(shè)備充電變得極為便利。USB的高數(shù)據(jù)率也讓新一代信息娛樂(lè)系統(tǒng)支持豐富多樣的車(chē)載功能，如音頻播放、屏幕和應(yīng)用共享，以及數(shù)據(jù)連接等等。

 

傳統(tǒng)USB Type-A接口已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)OEM廠商的各種車(chē)型，其供電能力較高為7.5W（5V電壓，較高1.5A電流）。隨著USB Type-C接口在PC機(jī)、智能手機(jī)和其它便攜式電子設(shè)備上快速普及，USB Type-A接口正迅速被淘汰。USB Type-C半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)出貨量到2022年將超過(guò)9億片（來(lái)源：Gartner 2018年報(bào)告和賽普拉斯估計(jì)）。

 

與USB Type-A接口相比，USB Type-C接口結(jié)構(gòu)更緊湊，具備通用連接，可正反插，線纜插拔無(wú)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(dá)100W（20V電壓，較高5A電流）。由于能夠提供遠(yuǎn)高于7.5W的功率，它能實(shí)現(xiàn)極富吸引力的新使用模式，可以快速充電，能夠同時(shí)為車(chē)內(nèi)不斷增加的有源設(shè)備充電，如平板電腦、筆記本電腦乃至電動(dòng)剃須刀（參見(jiàn)圖1）。

圖1.為各種設(shè)備充電所需的功率以及能夠滿足要求的USB規(guī)范。

 

要將具有新一代供電能力的USB Type-C接口植入汽車(chē)中，涉及的工作遠(yuǎn)不止提高供電端口電壓和電流這么簡(jiǎn)單，它還要求采用不同于跟商品級(jí)和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品USB口的設(shè)計(jì)方法。在本文中，我們將探討如何在車(chē)輛內(nèi)使用USB，USB Type-C與PD（Power Delivery）控制器應(yīng)具備的功能，互操作性的影響，以及USB Type-C設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素。

 

Power Delivery（協(xié)商供電）的妙處

 

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

 

提高供電能力是車(chē)載USB的關(guān)鍵。雖然用戶可以使用Type-A轉(zhuǎn) USB-C的適配器，通過(guò)車(chē)上的老端口為新手機(jī)充電，但是這樣做不能充分發(fā)揮USB Type-C接口的優(yōu)勢(shì)。具有USB Type-C接口的新一代手機(jī)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(duì)客戶滿意度和車(chē)型差異化優(yōu)勢(shì)有著重要的作用。

 

一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)OEM廠商無(wú)需為車(chē)上的每一個(gè)USB Type-C端口提供全功率100W電力。為了在不嚴(yán)重影響充電時(shí)間或可靠性的前提下降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率，實(shí)現(xiàn)所謂的動(dòng)態(tài)負(fù)載共享。在總功率100W的情況下，配合相應(yīng)的固件，當(dāng)有第二個(gè)設(shè)備插入時(shí)，USB PD控制器可進(jìn)行智能的分配，將一個(gè)USB Type-C端口的功率降低至60W，而第二個(gè)插入的設(shè)備可以獲得40W功率（參見(jiàn)圖2）。

 

圖2.為降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率，即所謂的動(dòng)態(tài)負(fù)載共享。A）單個(gè)設(shè)備以100W功率充電；B）在第二部設(shè)備插入后，兩部設(shè)備可共享端口提供的功率。

 

USB Type-C與PD控制器

 

為處理USB Type-C和Power Delivery（PD）協(xié)議的復(fù)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(gè)可下載文件，要么是由開(kāi)發(fā)環(huán)境直接生成。

 

汽車(chē)OEM廠商要在車(chē)輛的長(zhǎng)生命周期中提供高可靠的解決方案，通過(guò)USB認(rèn)證只是較低要求�？刂破鲬�(yīng)得到成熟的軟件棧支持，并通過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)，這樣才能保證USB子系統(tǒng)的可靠性。此外，互操作性也十分必要。因?yàn)閮蓚�(gè)符合USB規(guī)范的設(shè)備也未必能一起工作。

 

互操作性在汽車(chē)應(yīng)用中起著重要的作用，互操作性差，會(huì)給用戶滿意度造成負(fù)面影響。USB端口已發(fā)展成為汽車(chē)的一項(xiàng)重大功能，從充電、音樂(lè)流媒體到智能手機(jī)交互，越來(lái)越多的功能使用USB端口。購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，人們有時(shí)更關(guān)心是否能夠輕松地連接手機(jī)和播放音樂(lè)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有多良好。

 

汽車(chē)的使用壽命很長(zhǎng)，它們不僅需要與當(dāng)今市場(chǎng)上幾乎每一種智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦實(shí)現(xiàn)互操作，還需要與今后幾年推出的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。考慮到普通智能手機(jī)每?jī)赡旮鼡Q一次，互操作就變得更為重要。

 

此外，就如許多標(biāo)準(zhǔn)一樣，USB PD標(biāo)準(zhǔn)會(huì)隨時(shí)間推移而演進(jìn)發(fā)展。例如，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)支持具備可編程供電（PPS）功能的Power Delivery 3.0和Quick Charge (QC) 4.0。如果這些規(guī)范中的任意一種規(guī)范發(fā)生變化（實(shí)際上USB Type-C規(guī)范和PD規(guī)范一直處于變化中），汽車(chē)可能就不能完全兼容市場(chǎng)上的新型設(shè)備。

 

實(shí)現(xiàn)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(duì)USB PD協(xié)議棧進(jìn)行升級(jí)，使之能與較新設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。因?yàn)槠��?chē)有如此眾多組件需要使用軟件運(yùn)行，司機(jī)們的習(xí)慣是，這些軟件升級(jí)對(duì)車(chē)主是透明的。因?yàn)楫?dāng)一輛車(chē)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，技術(shù)人員一般會(huì)從升級(jí)固件開(kāi)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(xiāo)售價(jià)格也較低。作為替代品的可配置控制器，能提供數(shù)量有限的、預(yù)先編程的配置選項(xiàng)。

 

固定功能控制器與可配置控制器很適合消費(fèi)類電子設(shè)備（如USB鼠標(biāo)）等應(yīng)用。此類應(yīng)用的產(chǎn)品壽命較多只有幾年時(shí)間，而且產(chǎn)品交互簡(jiǎn)單，只需與數(shù)量有限、且明確定義的幾種設(shè)備進(jìn)行互操作（如PC機(jī)和筆記本電腦）。

由于可編程USB控制器能讓開(kāi)發(fā)人員充分發(fā)揮控制器的各項(xiàng)功能，為多種設(shè)備的互操作和各種用例提供較佳體驗(yàn)。通過(guò)反饋，控制器能動(dòng)態(tài)調(diào)整和調(diào)校自身設(shè)置，以針對(duì)具體設(shè)備優(yōu)化性能。此外，在引入新標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)生意外問(wèn)題的時(shí)候，通過(guò)固件升級(jí)，這種USB控制器足以靈活地解決這些問(wèn)題。這就有助于汽車(chē)OEM廠商在車(chē)輛的整個(gè)使用壽命中確�；ゲ僮鳌①|(zhì)量和可靠性。

 

值得一提的是，充分發(fā)揮這種控制器的各項(xiàng)功能，并不需要開(kāi)發(fā)人員直接為控制器編程。開(kāi)發(fā)人員使用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具，就能定義控制器的各種工作模式。接著，開(kāi)發(fā)工具能自動(dòng)生成正確的固件。這些工具也簡(jiǎn)化了更新控制器的過(guò)程。

 

此外，一些USB控制器制造商還負(fù)責(zé)管理新USB設(shè)備的互操作性，為車(chē)上USB-C口提供升級(jí)用的固件，以應(yīng)對(duì)規(guī)范的變化。汽車(chē)OEM廠商也就沒(méi)有必要專門(mén)安排工程資源來(lái)自行從事這方面的工作。

 

車(chē)載USB控制器不同于標(biāo)準(zhǔn)化商品。試想，如果USB鼠標(biāo)停止工作，不到10美元就可以更換。但如果車(chē)載USB端口停止工作，則需要昂貴的質(zhì)保維修才能恢復(fù)。因此，車(chē)載USB控制器必須符合更高標(biāo)準(zhǔn)。良品率必須遠(yuǎn)高于消費(fèi)類產(chǎn)品。汽車(chē)應(yīng)用的電子設(shè)備必須能夠承受更高的工作溫度。汽車(chē)組件的保修年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于普通消費(fèi)類電子產(chǎn)品。例如，消費(fèi)類控制器的保修年限可能很短，而汽車(chē)OEM廠商要求的保修年限則超過(guò)10年。

 

保障車(chē)規(guī)級(jí)可用性的五項(xiàng)技術(shù)

 

設(shè)計(jì)擁有更大供電能力的USB Type-C子系統(tǒng)，主要挑戰(zhàn)之一是電源需要過(guò)壓、過(guò)流、ESD和短路保護(hù)以及高壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器。此外，還需要線纜補(bǔ)償，以保障車(chē)上信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)線纜時(shí)的信號(hào)質(zhì)量。汽車(chē)的內(nèi)部空間往往很局促，且時(shí)常在惡劣的環(huán)境條件下工作，為了實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，還需要加溫度控制，控制功率，以防過(guò)熱和損壞。此外，在向USB Type-C過(guò)渡的過(guò)程中，OEM廠商需要支持傳統(tǒng)的USB Type-A設(shè)備。

 

電路保護(hù)：在USB端口的現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境中，USB電路需要防范一系列電氣事件。其中，較常見(jiàn)的就是靜電放電（ESD）。例如，乘客在塑料椅子上來(lái)回挪動(dòng)或摩擦地毯就會(huì)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(chē)內(nèi)精密的電子設(shè)備，這些設(shè)備維修難度大，維修成本高。

 

為了防止ESD，系統(tǒng)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(yīng)集成ESD防護(hù)功能。通常，8 KV的接觸放電防護(hù)和15 KV的空氣放電防護(hù)足以保護(hù)控制器不會(huì)因ESD事件損壞。此外，也可以在PCB上加裝額外的ESD保護(hù)二極管，進(jìn)一步增強(qiáng)保護(hù)。

 

USB端口還需要防范意外的過(guò)壓（OV）和過(guò)流（OC）情況。過(guò)壓和過(guò)流常發(fā)生在設(shè)備充電的過(guò)程中。在啟動(dòng)充電時(shí)，設(shè)備和供電系統(tǒng)要在電流和電壓上保持一致。然而，如果系統(tǒng)提供錯(cuò)誤的電壓或電流，就需要觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)（OVP）或過(guò)流保護(hù)（OCP）電路，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

 

此外，短路保護(hù)也是必要的。在將線纜按一定角度拉拽時(shí)，Vbus引腳可能與某一個(gè)數(shù)字引腳瞬間短路。Vbus的電壓可高達(dá)20V，而數(shù)字引腳僅能承受5V，這種短路會(huì)損壞相關(guān)的端口。與Type-A端口相比，短路保護(hù)對(duì)于USB Type-C端口顯得更加重要。這是因?yàn)椋?/span>Type-C端口在更緊湊的空間中塞入了22個(gè)引腳（而Type-A為9個(gè)），從而提高了Vbus的短路概率。

 

理想情況下，USB控制器應(yīng)集成短路保護(hù)功能。短路保護(hù)可以重置，這樣發(fā)生短路時(shí)不會(huì)損壞控制器。之后可以重置控制器以恢復(fù)該Type-C口功能，這樣短路事件就成為暫時(shí)的可恢復(fù)事件，不必召回車(chē)輛入店維修。如果沒(méi)有集成短路保護(hù)功能，控制器可能被燒毀，導(dǎo)致嚴(yán)重問(wèn)題。

 

高壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)：為了支持后向兼容，USB Type-C接口的默認(rèn)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(lái)驅(qū)動(dòng)更大功率的FET，以便為Vbus提供20V電壓。

 

線纜補(bǔ)償：為方便起見(jiàn)，USB端口可能布局在車(chē)內(nèi)各處，比如中控臺(tái)、后座間的中央儲(chǔ)物盒和/或雜物箱內(nèi)。對(duì)于不單用于供電的USB端口（如數(shù)據(jù)功能），USB控制器還很有可能用于信息娛樂(lè)系統(tǒng)。將儲(chǔ)物盒中的端口連接到信息娛樂(lè)系統(tǒng)可能需要長(zhǎng)達(dá)10英尺的USB線纜。使用如此長(zhǎng)的線纜可能造成嚴(yán)重的壓降，對(duì)信號(hào)質(zhì)量和可靠性造成不利影響。

 

為了保持長(zhǎng)線纜中的信號(hào)質(zhì)量處于可靠的工作范圍內(nèi)，控制器可以施加補(bǔ)償。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制器內(nèi)的固件可調(diào)節(jié)輸出電壓，以補(bǔ)償超長(zhǎng)線纜產(chǎn)生的壓差。這種補(bǔ)償可根據(jù)使用的線纜長(zhǎng)度采取固定數(shù)值，控制器也可以通過(guò)定期對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控、修改補(bǔ)償調(diào)節(jié)量，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓降補(bǔ)償。

 

過(guò)溫功率控制：采用USB Type-C的另一挑戰(zhàn)是如何解決高達(dá)100W功率充電時(shí)產(chǎn)生大量熱的問(wèn)題。過(guò)熱可能造成一系列問(wèn)題，包括引發(fā)火災(zāi)和/或損壞正在充電的設(shè)備。臨近的、對(duì)熱比較敏感的組件，如信息娛樂(lè)系統(tǒng)或?qū)Ш较到y(tǒng)的電子設(shè)備，也可能受到不利影響。過(guò)大的熱耗散甚至可能破壞USB端口本身，需要昂貴的維護(hù)或保修。

 

過(guò)溫功率控制是防止過(guò)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(shí)會(huì)警示控制器。控制器隨即降低充電功率。降低功率后，發(fā)熱減少，系統(tǒng)便可以冷卻下來(lái)。與此同時(shí)，連接的設(shè)備仍然在充電，只是速度降低。這種安全功能應(yīng)集成在控制器的微處理器中，并對(duì)用戶透明。

 

支持傳統(tǒng)的USB Type-A口：雖然新設(shè)備將采用USB Type-C接口，但是使用USB Type-A接口的設(shè)備仍有數(shù)十億之多。汽車(chē)OEM廠商需要提供Type-A端口，為這些傳統(tǒng)設(shè)備提供支持。不必設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的USB子系統(tǒng)，現(xiàn)有的控制器能同時(shí)支持Type-A端口和Type-C端口（參見(jiàn)圖3）。這類一體化控制器在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，較大限度地降低了總BOM成本。

圖3  賽普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同時(shí)支持Type-C端口和Type-A端口，因此用戶既能連接Type-C端口設(shè)備并實(shí)現(xiàn)快速充電，也能連接他們的傳統(tǒng)Type-A端口設(shè)備并為其充電。

 

為了確保電源的可靠性，需要實(shí)現(xiàn)上述所有功能。這樣會(huì)顯著增加車(chē)載USB Type-C與PD子系統(tǒng)的成本和空間占用。面向汽車(chē)市場(chǎng)的USB控制器將這些功能和其他功能集成在一起（參見(jiàn)圖4），確保全部組件都達(dá)到車(chē)規(guī)要求，可以很好地協(xié)同工作、降低成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。減少需要裝配的元件數(shù)量還可以減少潛在的故障點(diǎn)，提高可靠性。

 

圖4.面向汽車(chē)市場(chǎng)設(shè)計(jì)的USB Type-C控制器，比如這里顯示的賽普拉斯CCG3PA，通過(guò)集成必要組件，確保高可靠供電、降低成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)在車(chē)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(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。汽車(chē)OEM廠商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器，能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部?jī)?yōu)勢(shì)提供給自己的客戶。CCG3PA評(píng)估套件可為USB Type-C電源適配器/充電器和充電寶設(shè)計(jì)提供全面的支持，包括固件生成。

 

隨著USB PD迅速成為汽車(chē)的標(biāo)配功能，能與新一代便攜式設(shè)備互操作成為關(guān)鍵。汽車(chē)需要支持USB Type-C接口。從USB Type-A升級(jí)到USB Type-C還能支持快速充電等新的功能。為了在車(chē)輛的整個(gè)使用壽命周期中保持高質(zhì)量和互操作性，設(shè)計(jì)人員需要足夠靈活的可編程控制器，以適應(yīng)USB規(guī)范變化、并與基于新規(guī)范的未來(lái)產(chǎn)品進(jìn)行互操作。通過(guò)將關(guān)鍵功能集成到控制器中，為內(nèi)部電子設(shè)備提供保護(hù)，OEM廠商既能保障可靠性，也能較大限度地降低系統(tǒng)成本。