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如何使用少量空间为车辆添加更多USB端口?

菜鸟
2018-07-19 12:05:28    评分

本文介绍了一种解决方案,使用包含所有必要部件的单个芯片为车辆添加额外的USB充电端口,并为设备提供5V电压。

现代汽车的内部装有多个USB端口 - 放置在头部装置,手套箱,扶手和后排座椅中 - 用于为便携式电子设备充电(图1)。这些端口通过固定电缆连接到无线电头单元中的USB主机充电器/适配器。

 

现代汽车控制台与USB插头为乘客。

图1. 带有USB插头的现代汽车控制台。

 

根据位置的不同,电缆长度可达数英尺,从而在汽车中产生欧姆电压降和EMI辐射问题。大量的USB端口给USB充电器带来了沉重的负担,这可能会在无线电头单元中产生过多的热量,从而影响系统的可靠性。本文讨论了现有汽车USB主机解决方案的缺点,并提出了一种新的高度集成的解决方案,可轻松支持越来越多的USB端口,同时需要最小的空间并显着减少热量产生。

 现有解决方案

在便携式设备与充电器/适配器之间建立成功握手之后,典型的车载USB适配器为便携式设备(PD)提供5V电源。一些充电器/适配器解决方案需要多个芯片,这占用了宝贵的空间并且需要难以实现的电缆补偿。其他解决方案使用非同步开关稳压器实现5V电压源,导致功耗过大。空间效率低的有损解决方案成本高,最终不太可靠。这样的解决方案将不支持在汽车中包装更多USB端口的增长趋势所需的下一代架构。

汽车电子产品的可用空间不断缩小。许多解决方案也不包括扩频调频,这可以最大限度地减少开关调节器调制频率产生的EMI辐射。

 理想的解决方案

理想的适配器/充电器解决方案将所有必要的功能集成到单个芯片中,以便于设计和节省空间。图2所示的解决方案(USB ADAPTER IC)采用同步整流降压转换器(SR BUCK)实现最佳效率,并采用传感放大器测量负载电流。反馈环路将输出VSENSP与负载电流和电缆电阻成比例地提升,正好取消USB电缆压降,并在不受负载电流影响的情况下为器件提供5V电压。高电流能力是支持现代汽车中越来越多的USB端口的必要条件。

在图2中,数据线(HVD-,HVD +,D-,D +)实现主机和客户端设备之间的通信,以便在充电之前进行初始握手。

 

车载USB 5V适配器原理图

图2. 车载USB 5V适配器原理图

 

这些功能可在具有USB保护和主机充电器/适配器仿真MAX20037 / MAX20038汽车大电流降压转换器中找到。这些IC结合了3.5A汽车级降压转换器,USB主机充电器/适配器仿真器以及用于汽车USB主机应用的USB保护开关。高电流能力有助于许多USB端口。

 小尺寸

2.2MHz工作频率允许减小输出纹波和更小的外部元件,与小型(5mm x 5mm)28引脚TQFN IC封装相结合,可最大限度地减少PCB占用空间。

高效率

最常见的降压开关架构是非同步降压转换器。在这种架构中,低端整流器是IC外部的肖特基二极管。另一方面,通过采用同步架构,二极管被集成的低电阻,低侧MOSFET替代,作为同步整流器。我们通过MOSFET晶体管的RDS(ON)上的小压降来折衷二极管上的高压降。同步整流提供的效率明显高于典型解决方案使用的非同步转换器。由于采用同步整流,该器件的峰值效率远高于90%(图3)。

 

MAX20037 / MAX20038效率

图3.  MAX20037 / MAX20038的效率

 电缆补偿

该器件系列包括一个USB负载电流检测放大器和一个可配置的反馈调节电路,旨在为自备电缆中的电压降提供自动USB电压补偿。通过I 2 C总线可以轻松实现电缆补偿和诊断外部编程电阻用作I 2 C总线的替代

 低噪声

IC在强制PWM模式(FPWM)下以恒定频率工作。可选的扩频调频旨在最大限度地降低调制频率引起的EMI辐射。在图3中,器件频率设置为高于AM波段的2.2MHz,以减少射频干扰。

 负载合规性

这些IC兼容USB兼容和非兼容负载。兼容的USB设备不允许吸收超过30mA的电流,并且在最初连接到端口时不得超过10μF的电容。然后,设备开始其D + / D-连接和枚举过程。完成“连接”过程后,器件可以拉电流(USB2.0为100mA,USB3.0为150mA),电容不得超过10μF。

 ESD保护

这些器件具有低压,高带宽数据开关(MAX20037)和高压,高ESD数据开关(MAX20038)。MAX20037通过外部ESD阵列提供高达6V的数据开关保护和高ESD保护。MAX20038提供高达18V的数据开关保护和内部ESD保护电路的高ESD保护。

结论

现代汽车内部装有多个USB端口,用于便携式电子设备充电,为充电器/适配器带来空间和发热挑战。将这些端口连接到无线电头单元中的USB主机的电缆会产生欧姆电压降和EMI辐射挑战。本文讨论了现有解决方案的缺点,并介绍了MAX20037 / MAX20038高度集成的汽车降压转换器,它支持大量端口,具有高电流能力和最小的占用空间,噪声和发热量。它们可通过I 2 C总线或外部编程电阻轻松补偿电缆欧姆损耗




关键词: 半导体     IC     USB端口    

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