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5000字長(cháng)文解讀車(chē)載USB供電的方方面面

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

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(zhù)便攜式電子設備的廣泛普及,用戶(hù)在開(kāi)車(chē)時(shí)為自己的設備充電變得越來(lái)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(lè )系統支持豐富多樣的車(chē)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(jīng)廣泛應用于汽車(chē)OEM廠(chǎng)商的各種車(chē)型,其供電能力較高為7.5W5V電壓,較高1.5A電流)。隨著(zhù)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(chǎng)預計出貨量到2022年將超過(guò)9億片(來(lái)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(xiàn)纜插拔無(wú)方向性限制(Type-C線(xiàn)纜兩端插頭完全相同)。此外,它還能顯著(zhù)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(shí)現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(dòng)剃須刀(參見(jiàn)圖1)。

1.為各種設備充電所需的功率以及能夠滿(mǎn)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(chē)中,涉及的工作遠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和消費級產(chǎn)品USB口的設計方法。在本文中,我們將探討如何在車(chē)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(xié)商供電)的妙處

 

我們所處時(shí)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(shí)為筆記本電腦和手機充滿(mǎn)電。

 

提高供電能力是車(chē)載USB的關(guān)鍵。雖然用戶(hù)可以使用Type-A USB-C的適配器,通過(guò)車(chē)上的老端口為新手機充電,但是這樣做不能充分發(fā)揮USB Type-C接口的優(yōu)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(hù)滿(mǎn)意度和車(chē)型差異化優(yōu)勢有著(zhù)重要的作用。

 

一般來(lái)說(shuō),汽車(chē)OEM廠(chǎng)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)現所謂的動(dòng)態(tài)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(gè)設備插入時(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)插入的設備可以獲得40W功率(參見(jiàn)圖2)。

 

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)負載共享。A)單個(gè)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(xié)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(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(chǎng)商要在車(chē)輛的長(cháng)生命周期中提供高可靠的解決方案,通過(guò)USB認證只是較低要求?刂破鲬玫匠墒斓能浖䲢VС,并通過(guò)市場(chǎng)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(gè)符合USB規范的設備也未必能一起工作。

 

互操作性在汽車(chē)應用中起著(zhù)重要的作用,互操作性差,會(huì )給用戶(hù)滿(mǎn)意度造成負面影響。USB端口已發(fā)展成為汽車(chē)的一項重大功能,從充電、音樂(lè )流媒體到智能手機交互,越來(lái)越多的功能使用USB端口。購買(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和播放音樂(lè ),而不是發(fā)動(dòng)機運轉有多良好。

 

汽車(chē)的使用壽命很長(cháng),它們不僅需要與當今市場(chǎng)上幾乎每一種智能手機、平板電腦和筆記本電腦實(shí)現互操作,還需要與今后幾年推出的電子設備實(shí)現互操作?紤]到普通智能手機每?jì)赡旮鼡Q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(huì )隨時(shí)間推移而演進(jìn)發(fā)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(fā)生變化(實(shí)際上USB Type-C規范和PD規范一直處于變化中),汽車(chē)可能就不能完全兼容市場(chǎng)上的新型設備。

 

實(shí)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(xié)議棧進(jìn)行升級,使之能與較新設備實(shí)現互操作。因為汽車(chē)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(chē)主是透明的。因為當一輛車(chē)進(jìn)行維護保養時(shí),技術(shù)人員一般會(huì )從升級固件開(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(lèi)電子設備(如USB鼠標)等應用。此類(lèi)應用的產(chǎn)品壽命較多只有幾年時(shí)間,而且產(chǎn)品交互簡(jiǎn)單,只需與數量有限、且明確定義的幾種設備進(jìn)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(kāi)發(fā)人員充分發(fā)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(guò)反饋,控制器能動(dòng)態(tài)調整和調校自身設置,以針對具體設備優(yōu)化性能。此外,在引入新標準或發(fā)生意外問(wèn)題的時(shí)候,通過(guò)固件升級,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(chǎng)商在車(chē)輛的整個(gè)使用壽命中確;ゲ僮、質(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(zhù),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控制器制造商還負責管理新USB設備的互操作性,為車(chē)上USB-C口提供升級用的固件,以應對規范的變化。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商也就沒(méi)有必要專(zhuān)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(chē)載USB端口停止工作,則需要昂貴的質(zhì)保維修才能恢復。因此,車(chē)載USB控制器必須符合更高標準。良品率必須遠高于消費類(lèi)產(chǎn)品。汽車(chē)應用的電子設備必須能夠承受更高的工作溫度。汽車(chē)組件的保修年限遠遠長(cháng)于普通消費類(lèi)電子產(chǎn)品。例如,消費類(lèi)控制器的保修年限可能很短,而汽車(chē)OEM廠(chǎng)商要求的保修年限則超過(guò)10年。

 

保障車(chē)規級可用性的五項技術(shù)

 

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(guò)壓、過(guò)流、ESD和短路保護以及高壓柵級驅動(dòng)器。此外,還需要線(xiàn)纜補償,以保障車(chē)上信號通過(guò)長(cháng)線(xiàn)纜時(shí)的信號質(zhì)量。汽車(chē)的內部空間往往很局促,且時(shí)常在惡劣的環(huán)境條件下工作,為了實(shí)現可靠運行,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(chǎng)商需要支持傳統的USB Type-A設備。

 

電路保護:USB端口的現實(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(huà),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(huì )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(jìn)一步增強保護。

 

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)生在設備充電的過(guò)程中。在啟動(dòng)充電時(shí),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(fā)過(guò)壓保護(OVP)或過(guò)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(xiàn)纜按一定角度拉拽時(shí),Vbus引腳可能與某一個(gè)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(huì )損壞相關(guān)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(gè)引腳(而Type-A9個(gè)),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(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該Type-C口功能,這樣短路事件就成為暫時(shí)的可恢復事件,不必召回車(chē)輛入店維修。如果沒(méi)有集成短路保護功能,控制器可能被燒毀,導致嚴重問(wèn)題。

 

高壓柵級驅動(dòng):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(lái)驅動(dòng)更大功率的FET,以便為Vbus提供20V電壓。

 

線(xiàn)纜補償:為方便起見(jiàn),USB端口可能布局在車(chē)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(lè )系統。將儲物盒中的端口連接到信息娛樂(lè )系統可能需要長(cháng)達10英尺的USB線(xiàn)纜。使用如此長(cháng)的線(xiàn)纜可能造成嚴重的壓降,對信號質(zhì)量和可靠性造成不利影響。

 

為了保持長(cháng)線(xiàn)纜中的信號質(zhì)量處于可靠的工作范圍內,控制器可以施加補償。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),控制器內的固件可調節輸出電壓,以補償超長(cháng)線(xiàn)纜產(chǎn)生的壓差。這種補償可根據使用的線(xiàn)纜長(cháng)度采取固定數值,控制器也可以通過(guò)定期對接收到的信號進(jìn)行監控、修改補償調節量,進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓降補償。

 

過(guò)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(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(lè )系統或導航系統的電子設備,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?刂破麟S即降低充電功率。降低功率后,發(fā)熱減少,系統便可以冷卻下來(lái)。與此同時(shí),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(hù)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(chē)OEM廠(chǎng)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(gè)單獨的USB子系統,現有的控制器能同時(shí)支持Type-A端口和Type-C端口(參見(jiàn)圖3)。這類(lèi)一體化控制器在簡(jiǎn)化系統設計的同時(shí),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(shí)支持Type-C端口和Type-A端口,因此用戶(hù)既能連接Type-C端口設備并實(shí)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(shí)現上述所有功能。這樣會(huì )顯著(zhù)增加車(chē)載USB Type-CPD子系統的成本和空間占用。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),確保全部組件都達到車(chē)規要求,可以很好地協(xié)同工作、降低成本、簡(jiǎn)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(diǎn),提高可靠性。

 

4.面向汽車(chē)市場(chǎng)設計的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)化設計,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)先供應商。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器,能把Power Delivery 3.0Quick Charge 4.0的全部?jì)?yōu)勢提供給自己的客戶(hù)。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(zhù)USB PD迅速成為汽車(chē)的標配功能,能與新一代便攜式設備互操作成為關(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(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,為內部電子設備提供保護,OEM廠(chǎng)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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