車載USB 2.0 與5 V Type-C 解決方案提供充電與穩健資料線路保護

介紹

USB充電埠已成為現代車載資訊娛樂系統的關鍵零組件。乘客逐漸習慣把手機(或其他可攜式裝置)連接到車內電子系統,然後用這些裝置在車內執行各種資訊與娛樂功能。為了支援供電與資料功能,藉以在持續快速變遷的可攜式裝置市場做出調整,USB充電埠為此必須因應各種系統要求,包括供電、資料傳輸、以及面對真實世界各種危險事件時保持穩健運行。

可攜式裝置電池的充電 – 包括能支援各種裝置充電電流曲線,像是USB BC 1.2充電下行埠(CDP)、專用充電埠(DCP)、標準下行埠(SDP)、以及共通專利(common proprietary)電流曲線 – 而這些都還只是USB充電埠眾多要求的其中一部分。其他要求還包括維持高速USB資料傳輸的訊號完整性,以及汽車環境各種危險狀況下保護USB 主控端。此外,在因應日趨複雜的車載電子需求方面,解決方案還必須維持小型化以及低電磁放射。本文介紹一款解決方案,能滿足現代USB充電埠在汽車環境中的各種需求,並闡述設計範例。

汽車USB供電系統概述

圖1顯示典型汽車USB充電系統的模塊圖,其中一個切換穩壓器會從VBUS電源產生5V電壓。圖中的USB充電埠模擬器與電源切換IC有三個主要功能。第一,USB充電埠模擬器會判斷已連接裝置的最佳充電電流,然後透過各種充電埠模式進行快速充電,包括像USB BC 1.2 CDP、DCP、以及廠商自有專利的充電模擬電流曲線。最後,充電埠控制器能在連結裝置與USB主控端之間支援USB 2.0 高速資料傳輸。

由於USB埠處於充斥干擾的汽車環境,敏感的USB電路必須能抵抗眾多現實世界可能出現的危險,像是接口處的靜電放電(ESD)以及線路失效事件,受影響的線路可能遇到超出額定工作範圍的電壓。

Figure 1. Automotive USB charger block diagram.
圖1. 汽車USB充電器模塊圖

圖2 顯示汽車USB電源系統的模塊簡圖,該系統將供電、連結埠、以及保護功能整合到一顆IC中。在這個案例中,LT8698S 晶片將切換穩壓器與電源開關的功能整合到一個4 mm x 6 mm封裝,並提供穩健的資料線保護機制,能應付靜電放電與線路失效事件。

透過圖中所示的整合充電器解決方案,整合所有必要的硬體元件,能獨立執行USB連結埠與可攜式裝置之間的USB BC 1.2 CDP協商程序,讓相容於CDP的裝置能從VBUS 擷取最高1.5安培的電流,同時和主控端進行高速通訊。

線損補償

當USB插座與控制器相隔有段距離 – 像是USB插座位於車輛後方而以USB主控端位於儀錶板,線損(cable drop)補償機制能讓VBUS 供電軌維持精準的5V電壓。LT8698S擁有可編程的線損補償機制,能在USB插座提供優異的穩壓效果,無須額外設置Kelvin感測線路。

圖3 顯示線損補償的工作方式。感測電阻RSEN置於OUT/ISP 與BUS/ISN針腳之間,以串聯方式相連,其位置則配置在調節器輸出端與負載之間。LT8698S藉由接地的RCBL電阻在RCBL 針腳處形成46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL 的電流源。這個電流和USB5V針腳的電流一致,該電流會經由調節器輸出端與USB5V針腳之間的RCDC電阻傳入USB5V針腳。這個狀況會在RCDC 電阻附近產生電壓偏移,位置在5 V USB5V回饋針腳上方,偏移量和RCDC/RCBL 電阻比值成正比。因此,LT8698S能將BUS/ISN針腳調節至一定程度,調節的幅度和負載電流成正比,保持在負載目標5V之上(最高上限6.05V),藉以在插槽VBUS針腳處維持精準的調節效果。

線損補償省去調節器到遠端負載之間額外設置一對Kelvin感測線,但系統設計者仍須知悉線路電阻RCABLE—因為LT8698S不會感測該電阻值。在挑選線損補償元件時,可使用以下公式: RCBL = 46 × RSEN × RCDC/RCABLE。由於線路電阻會隨著溫度變化,因此想在較寬的溫度範圍達到更好的整體輸出電壓精準度,可以在RCBL加入一個負溫度係數(NTC)電阻,藉以抑制線損補償隨著溫度產生的變化。

Figure 2. Simplified block diagram of an automotive USB power system built around a single-IC USB controller solution.
圖2. 汽車USB電源系統的模塊簡圖,採用單晶片USB控制器解決方案建構
Figure 3. Working principles of cable drop compensation.
圖3. 線損補償的工作原理
Figure 4. Robust protection features of LT8698S/LT8698S-1.
圖4. LT8698S/LT8698S-1穩健的保護功能

為汽車環境提供穩健的保護

汽車環境存在許多危險,因此USB主控端必須加以防範。這些危險包括因資料線路暴露在電池電壓或接地端所導致的線路失效,以及高強度靜電放電觸及USB插座。圖4顯示如何保護USB主控端以應付這些危險。

LT8698S的HD+ 與HD 針腳能耐受最高20 VDC 的電壓,能抵抗最高8 kV的接觸放電以及IEC 61000-4-2 ESD事件的15 kV 空中放電,同時能保護主控端應付這些嚴重狀況。此外,USB5V、OUT/ISP、以及BUS/ISN 針腳能耐受各種輸出電壓失效,其中包括最高到42V的直流電壓。在輸出失效事件中,閘鎖關斷(latch-off)以及自動重試(auto-retry)功能會精準限制平均輸出電流。

許多USB埠控制IC需要為資料線配置外部鉗位二極體或電容以提供靜電放電保護機制 – 除了增加成本與材料,還可能損及訊號完整性 - LT8698S則不需要上述元件。

儘管資料線切換能耐受前面所述的直流電失效以及靜電放電事件,它們仍能支援極佳的訊號完整性。像是HD+ 與HD針腳在–3 dB的頻寬為480 MHz(額定值),此為實際產品量測的數據。圖5顯示高速傳輸眼圖,在test plane 2展示機板依循USB 2.0規格進行量測。此圖顯示在依循USB template 1的情況下,test plane 2限制了相當多的餘裕空間。

Figure 5. High speed USB 2.0 eye diagram measured on a demo board. Template 1 requirements shown.
圖5. 在展示機板量測到的高速USB 2.0眼圖。圖中顯示Template 1的要求

相容性以及支援各種充電電流曲線

這個範例中採用的控制IC相容於多種USB連結器以及充電器電流曲線,如表1所示。我們來看控制器解決方案如何在USB type-C 5V/3A解決方案(15W)中工作。

圖6顯示的電路圖是一個USB 5V/3 A VBUS 穩壓器內附線損補償機制的元件。在這個電路中,RSEN 電阻值選用8 mΩ用以支援最高3A的電流,SYNC/MODE針腳連到接地端,藉以支援脈衝省略的工作模式、降低開關頻率、以及輕負載電流下的靜態電流。此外,LT8698S 還支援USB BC 1.2 DCP模式,能在1.5A下供應充電電流,執行高電流充電功能。在使用DCP埠時,D+與D– 兩條線路會一併短路,不會傳送資料。許多可攜式裝置製造商發展自己的專利充電協定。此外,這些廠商的專利式充電電流曲線以及相關的最高充電電流,像是2.0A、2.4A、2.1A、以及1.0A都在支援之列。主控端微控制器可藉由控制SEL針腳來支援這些充電電流曲線。圖7顯示一個2.4A/1.5A USB充電器的電路圖。在這個應用中,微控制器會使用LT8698S STATUS 針腳以及IMON電流監視器提供的資訊,並透過控制SEL1–3針腳的輸入端腳位來選取想要用的充電器充電電流曲線。藉由這種方法,微控制器能為可攜式裝置優化充電電流曲線,在最高的電流下進行安全充電。

表1. LT8698S/LT8698S-1 相容於各種USB連接器、充電電流曲線、以及資料介面
Figure A Figure B
Figure C
USB 2.0 Type-A USB 3.x Type-A USB Type-C
針腳: VBUS, GND,
D+, D
針腳: VBUS, GND,
D+, D
針腳: VBUS, GND,
D+, D
供電: 5 V, 1.5 A,
BC 1.2
5 V, 2.4 A, Apple iPad
供電: 5 V, 1.5 A,
BC 1.2
供電: 5 V, 1.5 A,
BC 1.2
5 V, 3 A, type-C
資料: USB 2.0,
480 Mbps
資料: USB 2.0,
480 Mbps
資料: USB 2.0,
480 Mbps
Figure 6. A 5 V, 3 A, USB type-C application.
圖6. 一個5 V/ 3 A的USB type-C 應用
Figure 7. A 2.4 A/1.5 A automatic profile detection charger with current monitor.
圖7. 一個2.4 A/1.5A能自動偵測充電電流曲線並附有電流監視機制的充電器

EMI 解決方案

低EMI是汽車電子系統電源供應器的一項關鍵要求,通常必須符合CISPR 25 Class 5的放射標準。LT8698S採用Silent Switcher® 2技術進行設計,讓USB電源供應能符合這些嚴苛汽車EMI標準,而且無須犧牲解決方案尺吋、效率、以及穩健性。

Silent Switcher 2結構結合了內部旁通電容,設計用來將LQFN封裝內的EMI減至較小。整合旁通電容不僅簡化機板設計、降低解決方案的整體佔用空間,還將電路板配置對EMI效能的影響減至較低。 LT8698S-1 雖然沒有納入這些內部旁通電容,但除這點以外其餘部分都和LT8698S相同。兩款元件都可在SYNC/ MODE針腳導入3.0伏以上的直流電壓,藉以選擇展頻頻率調變機制。圖8顯示LT8698S在一般應用條件下的幅射EMI效能。

LT8698S 與LT8698S-1能以可編程與可同步化的開關頻率執行工作,範圍介於300 kHz 到3 MHz。更高的切換頻率可選用更小的電感與電容值,從而達到更小的整體解決方案尺寸。圖9顯示即使在2MHz的較高切換頻率下,這個12V至5V USB解決方案仍能達到93%的效率。

Figure 8. Radiated EMI performance (CISPR 25 radiated emissions with peak detector and Class 5 peak limit).
圖8. 幅射EMI 效能 (CISPR 25 輻射雜訊,包含峰值檢測與Class 5 峰值限制).
Figure 9. Efficiency and power loss curves for a 5 V USB solution.
圖9. 5V USB解決方案的效率與功率損失曲線

總結

在現代車載資訊娛樂系統扮演關鍵元件的USB充電埠必須應付各種系統挑戰,包括供電、支援資料傳輸模式、以及面對汽車環境中各種真實世界危險事件時的穩健性。本文的範例是採用LT8698S USB充電器IC來因應這些挑戰。它們除了支援各種可攜式裝置的充電電流曲線,還為各種USB Type-C充電應用提供最高15W的輸出供電。此外,它們能保護USB主控端應付各種危險狀況,像是線路失效以及嚴重的靜電放電事件。LT8698S除了提供上述的保護機制,還維持訊號完整性,在USB主控端與可攜式裝置之間進行高速USB資料傳輸。最後,Silent Switcher 2架構不僅提供優異的EMI性能,而且無須犧牲效率與解決方案的尺寸。