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為車輛帶來(lái)下一代USB供電

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 作者:Mark Fu ? 2022-11-30 11:23 ? 次閱讀

隨著便攜式電子產(chǎn)品的廣泛采用和使用,用戶能夠在駕駛時(shí)在汽車中為設(shè)備充電變得越來(lái)越重要。USB的供電功能使設(shè)備充電對(duì)用戶來(lái)說非常方便。此外,USB的高數(shù)據(jù)速率使下一代信息娛樂系統(tǒng)能夠支持廣泛的車載功能,例如音頻播放,屏幕和應(yīng)用程序共享,數(shù)據(jù)連接等。

傳統(tǒng)的USB Type-A連接器已經(jīng)在所有主要汽車原始設(shè)備制造商的型號(hào)中提供,提供高達(dá)7.5 W的功率能力(5 V時(shí)高達(dá)1.5 A的電流)。然而,隨著 USB Type-C 連接器在 PC、智能手機(jī)和其他便攜式電子設(shè)備中的迅速采用,USB Type-A 正迅速成為傳統(tǒng)連接器:USB Type-C 半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在 2022 年達(dá)到 9 億以上(來(lái)源:Gartner 2018 和賽普拉斯估計(jì))。

USB Type-C 連接器提供比 USB Type-A 連接器更緊湊的外形,具有通用連接、可逆插頭方向和可逆電纜方向的額外優(yōu)勢(shì)。它還支持更高的功率輸出,高達(dá) 100 W(20 V 時(shí)高達(dá) 5 A)。能夠提供比 7.5 W 大得多的功率,從而實(shí)現(xiàn)引人注目的新使用模式,包括更快的充電速度以及同時(shí)為汽車中越來(lái)越多的有源設(shè)備(包括平板電腦、筆記本電腦甚至電動(dòng)剃須刀)充電的能力。

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然而,在車輛中實(shí)現(xiàn)具有下一代供電功能的USB Type-C不僅僅涉及增加端口的電壓和電流。它還需要一種不同于基于 USB 的商品級(jí)和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的典型設(shè)計(jì)方法。本文探討了如何在車輛中使用 USB、USB Type-C 和供電控制器所需的功能、互操作性影響以及使用 USB Type-C 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素。

電力輸送的重要性

我們世界的快節(jié)奏意味著我們需要能夠更快、更頻繁地為設(shè)備充電。例如,在 100 W 的功率輸出下,銷售人員可以在會(huì)議之間的 15 分鐘車程內(nèi)為筆記本電腦和手機(jī)充電。同樣,父母可以確信他們的手機(jī) - 以及孩子的平板電腦 - 不會(huì)在長(zhǎng)途旅行中耗盡電量。

更高的功率輸出是車載USB的關(guān)鍵。當(dāng)然,用戶可以使用USB Type-C到Type-A適配器使用傳統(tǒng)端口為新手機(jī)充電。但是,他們不會(huì)獲得USB Type-C的全部好處。相反,他們的下一代手機(jī)能夠快速充電,將限制在USB Type-A提供的最大7.5 W。顯然,全功率輸送的可用性將在客戶滿意度和區(qū)分車型方面發(fā)揮重要作用。

汽車OEM不太可能需要為車輛中的每個(gè)USB Type-C端口提供完整的100 W。為了在不顯著影響充電時(shí)間或可靠性的情況下降低成本,可以在端口之間共享單個(gè) 100 W 電源,稱為動(dòng)態(tài)負(fù)載分配。例如,USB Power Delivery 控制器和固件中的智能可以將其中一個(gè) USB Type-C 端口的功率降至 60 W,因此當(dāng)設(shè)備插入時(shí),它可以為第二個(gè)端口提供 40 W。

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USB C 型和供電控制器

為了處理USB Type-C和PD協(xié)議的復(fù)雜性,這些控制器將嵌入式微處理器與PD控制器邏輯集成在一起。通常,此微處理器的固件將由控制器制造商提供,可以是可下載文件,也可以是由開發(fā)環(huán)境生成。

如果 OEM 希望在車輛的長(zhǎng)使用壽命內(nèi)提供強(qiáng)大的解決方案,那么獲得 USB 認(rèn)證只是最低要求。控制器還應(yīng)由經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的成熟軟件堆棧提供支持,以便USB子系統(tǒng)可靠。此外,互操作性至關(guān)重要。僅僅因?yàn)閮蓚€(gè)設(shè)備符合USB規(guī)范并不一定意味著它們可以一起工作。

互操作性在汽車應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用,因?yàn)榛ゲ僮餍圆顣?huì)對(duì)用戶滿意度產(chǎn)生負(fù)面影響。USB端口已經(jīng)發(fā)展成為汽車的一項(xiàng)備受矚目的功能,在充電,播放音樂和與智能手機(jī)交互方面承擔(dān)著越來(lái)越多的責(zé)任。在購(gòu)買車輛時(shí),人們通常會(huì)更了解他們連接手機(jī)和播放音樂的難易程度,而不是發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。

由于使用壽命延長(zhǎng),車輛不僅需要能夠與當(dāng)今幾乎所有可用的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦進(jìn)行互操作,還需要能夠與未來(lái)幾年發(fā)布的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦進(jìn)行互操作。當(dāng)您考慮到典型的智能手機(jī)每?jī)赡旮鼡Q一次時(shí),互操作性就更加重要。

此外,USB供電標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展,就像許多標(biāo)準(zhǔn)一樣。例如,當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)支持具有可編程電源 (PPS) 支持的供電 (PD) 3.0 和快速充電 (QC) 4.0。如果這些規(guī)格中的任何一個(gè)發(fā)生變化——事實(shí)上,USB Type-C和PD規(guī)格都在不斷變化——車輛可能無(wú)法完全支持推向市場(chǎng)的新設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的互操作性的唯一方法是通過可編程USB控制器。使用可編程控制器,可以升級(jí)USB供電堆棧,以便與新設(shè)備進(jìn)行互操作。由于汽車的許多部件都使用軟件,駕駛員開始接受軟件升級(jí)是標(biāo)準(zhǔn)做法。通常,這些升級(jí)對(duì)車主是透明的,因?yàn)榧夹g(shù)人員通常在車輛被送去維修時(shí)從固件升級(jí)開始。

控制器具有嵌入式微處理器的事實(shí)并不一定意味著它支持可編程性。例如,固定功能的USB控制器不需要編程,并且可以以較低的成本獲得。或者,可以使用可配置的控制器,該控制器提供有限數(shù)量的配置選項(xiàng)預(yù)編程到控制器中。

固定功能和可配置控制器非常適合消費(fèi)電子設(shè)備(即USB鼠標(biāo))等應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,產(chǎn)品的使用壽命預(yù)計(jì)最多只有幾年,并且產(chǎn)品只需要與一組有限且定義明確的其他設(shè)備(即PC和筆記本電腦)進(jìn)行互操作。但是,固定功能的 USB 控制器只能為有限數(shù)量的設(shè)備提供最佳質(zhì)量。同樣,如果可配置控制器上的可用設(shè)置與用戶擁有的特定設(shè)備不匹配,則用戶體驗(yàn)的質(zhì)量將下降。像這樣的互操作性問題只會(huì)隨著規(guī)范的變化而變得更加普遍。

相比之下,可編程 USB 控制器可以讓開發(fā)人員完全訪問控制器的功能,從而最大限度地提高跨設(shè)備和用例的質(zhì)量。使用反饋,控制器可以動(dòng)態(tài)調(diào)整和調(diào)整其設(shè)置,以優(yōu)化特定設(shè)備的性能。此外,如果引入新標(biāo)準(zhǔn)或出現(xiàn)不可預(yù)見的問題,USB控制器足夠靈活,可以通過固件升級(jí)來(lái)解決這些問題。這使汽車原始設(shè)備制造商能夠確保在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持互操作性、質(zhì)量和可靠性。

需要注意的是,開發(fā)人員無(wú)需直接對(duì)控制器進(jìn)行編程即可訪問其全部功能。開發(fā)人員可以使用高級(jí)開發(fā)工具來(lái)定義控制器的運(yùn)行方式,而不是編寫固件。然后,這些工具自動(dòng)生成相應(yīng)的固件。這些工具還簡(jiǎn)化了更新控制器的過程。

一些 USB 控制器制造商還承擔(dān)管理與基于 USB 的新設(shè)備的互操作性以及適應(yīng)規(guī)范更改的任務(wù)。這使汽車原始設(shè)備制造商不必投入工程資源來(lái)自己執(zhí)行這些任務(wù)。

事實(shí)是,汽車USB控制器不是商品。考慮到當(dāng) USB 鼠標(biāo)停止工作時(shí),只需不到 10 美元即可更換。如果汽車中的USB端口停止工作,則可能需要昂貴的保修維修費(fèi)用。因此,用于車輛的USB控制器必須滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)量必須遠(yuǎn)高于消費(fèi)品。用于汽車應(yīng)用的電子設(shè)備必須能夠承受更熱的工作溫度。最后,汽車組件的使用壽命需要比傳統(tǒng)消費(fèi)電子應(yīng)用更長(zhǎng);也就是說,商用控制器可能只在短時(shí)間內(nèi)可用,而不是汽車OEM所需的10+年。

集成

設(shè)計(jì)具有更高功率輸出的USB Type-C子系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是電源需要過壓、過流、ESD和短路保護(hù)以及高壓柵極驅(qū)動(dòng)器。還需要電纜補(bǔ)償,以確保車輛中保持長(zhǎng)電纜上的信號(hào)質(zhì)量。為了在車輛通常受限和環(huán)境極端的工作條件下支持可靠運(yùn)行,必須基于溫度的功率節(jié)流以防止過熱和損壞。此外,OEM廠商希望在過渡到USB Type-C期間能夠支持傳統(tǒng)的USB Type-A設(shè)備。

電路保護(hù):由于USB端口暴露在現(xiàn)實(shí)世界中,USB電路需要保護(hù)免受許多電氣事件的影響。最常見的一種是靜電放電(ESD)。例如,乘客在乙烯基座椅上四處走動(dòng)或摩擦地毯會(huì)積聚電荷。如果他們觸摸暴露的USB端口,它們可能會(huì)破壞車內(nèi)難以維修且昂貴的敏感電子設(shè)備。

為了防止ESD,系統(tǒng)需要接地到屏蔽接地,以便能量可以安全地耗散。理想情況下,控制器具有集成的ESD保護(hù)。8 KV 觸點(diǎn)和 15 KV 空氣放電保護(hù)通常足以保護(hù)控制器免受 ESD 事件的影響。可以在PCB板上添加額外的ESD保護(hù)二極管,以進(jìn)一步增強(qiáng)保護(hù)。

USB 端口還需要防止意外過壓 (OV) 和過流 (OC) 事件。在設(shè)備充電期間,可能會(huì)發(fā)生 OV 和 OC 事件的常見實(shí)例。為了啟動(dòng)充電,設(shè)備和供電系統(tǒng)商定要使用的電流和電壓。但是,如果系統(tǒng)開始提供錯(cuò)誤的電壓或電流,則可以觸發(fā)過壓保護(hù)(OVP)或過流保護(hù)(OCP)電路來(lái)保護(hù)器件。

短保護(hù)也是必要的。當(dāng)電纜以一定角度拉出時(shí),Vbus引腳可能會(huì)暫時(shí)短路到其中一個(gè)數(shù)字引腳。鑒于Vbus最高可達(dá)20 V,數(shù)字引腳容限為5 V,如此短路可能會(huì)損壞受影響的端口。與USB Type-A相比,USB Type-C端口的短保護(hù)更為重要。這是因?yàn)閁SB Type-C連接器將22個(gè)引腳(而Type-A為9個(gè)引腳)安裝到更小的外形中,從而增加了Vbus短路的機(jī)會(huì)。

理想情況下,短路保護(hù)集成在USB控制器中。請(qǐng)注意,短路保護(hù)是可復(fù)位的,因此在短路時(shí)不會(huì)損壞控制器。相反,控制器會(huì)關(guān)閉以防止短路。然后可以重置它以恢復(fù)端口,使短暫事件只是一個(gè)暫時(shí)且可修復(fù)的問題,而不是導(dǎo)致店內(nèi)維修。

高壓柵極驅(qū)動(dòng)器:為了支持向后兼容性,USB Type-C 連接器默認(rèn)為 5 V。一旦確定了供電水平,控制器可能需要從5 V FET切換到20 V FET,以支持更高的功率輸出。如果此功能未集成到控制器中,則需要額外的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)在 Vbus 上提供 20V 電壓所需的更高功率 FET。

電纜補(bǔ)償:為方便起見,USB 端口可能位于整個(gè)汽車中,例如前排主機(jī)、后排座椅之間的中央儲(chǔ)物箱和手套箱。對(duì)于不僅僅支持供電(即數(shù)據(jù)功能)的USB端口,USB控制器很可能是信息娛樂系統(tǒng)的一部分。要將儲(chǔ)物箱中的端口物理連接到信息娛樂系統(tǒng),可能需要長(zhǎng)達(dá) 10 英尺的 USB 電纜。使用如此長(zhǎng)的電纜,將出現(xiàn)顯著的壓降,從而對(duì)信號(hào)質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了將信號(hào)質(zhì)量保持在可靠的工作范圍內(nèi),控制器可以采用補(bǔ)償。簡(jiǎn)單來(lái)說,控制器中的固件調(diào)整輸出電壓以抵消電纜長(zhǎng)度上的壓降。這種補(bǔ)償可以根據(jù)所用電纜的長(zhǎng)度作為固定金額實(shí)施。或者,控制器可以通過定期監(jiān)控接收到的信號(hào)并修改補(bǔ)償調(diào)整來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償壓降。

基于溫度的功率節(jié)流:實(shí)施USB Type-C的挑戰(zhàn)之一是處理與提供高達(dá)100 W的功率相關(guān)的額外散熱。 過熱會(huì)導(dǎo)致許多問題,包括引發(fā)火災(zāi)和/或損壞正在充電的設(shè)備。附近對(duì)熱敏感的組件,如信息娛樂或?qū)Ш较到y(tǒng)電子設(shè)備,也可能受到影響。過度散熱甚至可能損壞USB端口本身,需要昂貴的服務(wù)或保修電話進(jìn)行維修。

基于溫度的功率節(jié)流是防止過熱的有效方法。當(dāng)接近熱閾值時(shí),位于敏感組件旁邊的熱傳感器會(huì)向控制器發(fā)出警報(bào)。然后,控制器可以降低輸送的功率。功率越小,熱量就會(huì)越少,系統(tǒng)就可以冷卻了。同時(shí),連接的設(shè)備仍然可以充電,只是速度較慢。這種安全功能需要與控制器的微處理器集成,并且可以以對(duì)用戶透明的方式實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的USB Type-A支持:雖然新設(shè)備將具有USB Type-C連接器,但仍會(huì)有數(shù)十億臺(tái)設(shè)備具有USB Type-A連接器。汽車原始設(shè)備制造商將需要提供USB Type-A端口來(lái)支持這些傳統(tǒng)設(shè)備。控制器可以同時(shí)支持 A 型和 C 型端口,而不是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的 USB 子系統(tǒng)。這些集成控制器簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí)最大限度地降低了總 BOM 成本。

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實(shí)現(xiàn)這些功能對(duì)于確保電源可靠性是必要的,并且可能會(huì)大大增加車輛內(nèi)USB Type-C和供電子系統(tǒng)的成本和占用空間。汽車市場(chǎng)的USB控制器旨在集成這些功能和其他功能。這可確保組件具有汽車級(jí),可以很好地協(xié)同工作,降低成本并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。減少必須組裝的組件數(shù)量還可以通過減少故障點(diǎn)的數(shù)量來(lái)提高可靠性。

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賽普拉斯一直是每一代USB技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。借助 EZ-PD USB-C CCG3P3 控制器,汽車 OEM 可以為其客戶帶來(lái)供電 3.0 和快速充電 4.0 的全部?jī)?yōu)勢(shì)。CCG3PA 評(píng)估套件提供設(shè)計(jì) USB Type-C 電源適配器/充電器和移動(dòng)電源所需的所有支持,包括固件生成。

USB供電正迅速成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)功能。為了保持與下一代便攜式設(shè)備的互操作性,汽車需要支持USB Type-C連接器。從USB Type-A到USB Type-C的過渡將引入新功能,包括更快的充電速度。為了在車輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保持質(zhì)量和互操作性,設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)足夠靈活的可編程控制器,以支持USB規(guī)范的變化,并根據(jù)這些規(guī)范與未來(lái)的設(shè)備進(jìn)行互操作。通過將關(guān)鍵功能集成到控制器中以保護(hù)內(nèi)部電子設(shè)備,OEM 可以確保可靠性,同時(shí)最大限度地降低系統(tǒng)成本。

審核編輯:郭婷

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    通過<b class='flag-5'>下一代</b>引線式邏輯IC封裝實(shí)現(xiàn)小型加固型應(yīng)用

    安森美將為大眾汽車集團(tuán)的下一代電動(dòng)汽車提供電源技術(shù)

    近日,安森美宣布與大眾汽車集團(tuán)簽署了項(xiàng)多年協(xié)議,成為其可擴(kuò)展系統(tǒng)平臺(tái)(SSP)下一代主驅(qū)逆變器的主要供應(yīng)商,提供完整的電源箱解決方案。該解決方案在集成模塊中采用了基于碳化硅的技術(shù),可擴(kuò)展至所有功率級(jí)別,從大功率到小功率主驅(qū)逆變器,兼容所有
    的頭像 發(fā)表于 07-23 11:09 ?1394次閱讀

    蘋果暫停下一代高端頭顯研發(fā)

    近日,科技巨頭蘋果公司宣布了項(xiàng)重要調(diào)整,即暫停下一代高端頭顯Vision Pro的研發(fā)計(jì)劃。這決定引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注與討論。
    的頭像 發(fā)表于 06-21 09:54 ?671次閱讀

    24芯M16插頭在下一代技術(shù)中的潛力

      德索工程師說道隨著科技的飛速發(fā)展,下一代技術(shù)正逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力和潛力。在這背景下,24芯M16插頭作為種高性能、多功能的連接器,將在下一代技術(shù)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。以下是
    的頭像 發(fā)表于 06-15 18:03 ?575次閱讀
    24芯M16插頭在<b class='flag-5'>下一代</b>技術(shù)中的潛力