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5000字长文解读车载USB供电的各个方面

2020-4-6 12:04:29 消息来源:家电品牌网

  择要:哪有白来的充电便利,都是工程师在幕后想了很多体例。面向将来,不支撑USB Type-C接口的汽车不要买。

  跟着便携式电子装备的遍及提高,用户在开车时为本身的装备充电变得愈来愈频繁。USB供电服从让装备充电变得极其便利。USB的高数据率也让新一代信息文娱体系支撑丰富多样的车载服从,如音频播放、屏幕和利用共享,和数据连接等等。

  传统USB Type-A接口已遍及利用于汽车OEM厂商的各种车型,其供电才气最高为7.5W(5V电压,最高1.5A电流)。跟着USB Type-C接口在PC机、智妙手机和别的便携式电子装备上疾速提高,USB Type-A接口正敏捷被淘汰。USB Type-C半导体市场估计出货量到2022年将超越9亿片(来源:Gartner 2018年陈述和赛普拉斯估计)。

  与USB Type-A接口比拟,USB Type-C接口布局更松散,具有通用连接,可正反插,线缆插拔无标的目标性限定(Type-C线缆两端插头完整不异)。别的,它还能明显进步输入功率,最高可达100W(20V电压,最高5A电流)。因为可以或许供应远高于7.5W的功率,它能实现极富吸收力的新利用形式,可以疾速充电,可以或许同时为车内不竭增加的有源装备充电,如平板电脑、条记本电脑乃至电动剃须刀(拜见图1)。

图1.为各种装备充电所需的功率和可以或许满足请求的USB标准。

  要将具有新一代供电才气的USB Type-C接口植入汽车中,触及的事情远不止进步供电端口电压和电流这么简朴,它还请求采取不合于跟商品级和消耗级产品USB口的设想体例。在本文中,我们将切磋如安在车辆内利用USB,USB Type-C与PD(Power Delivery)节制器应具有的服从,互操纵性的影响,和USB Type-C设想应考虑的首要身分。

  Power Delivery(协商供电)的妙处

  我们所处期间的节拍在不竭加快,我们需求能更快、更频繁地为我们的装备充电。如果具有100W供电才气,就可以在约15分钟内同时为条记本电脑和手机充满电。

  进步供电才气是车载USB的关头。固然用户可利用Type-A转 USB-C的适配器,经由过程车上的老端口为老手机充电,但是如许做不克不及充分阐扬USB Type-C接口的上风。具有USB Type-C接口的新一代手机固然具有快充才气,却受制于USB Type-A接口的7.5W供电才气。明显,全功率供电将对客户对劲度和车型差别化上风有着首要的感化。

  一般来讲,汽车OEM厂商无需为车上的每个USB Type-C端口供应全功率100W电力。为了在不严峻影响充电时候或可靠性的前提下降落本钱,可在多个端口间共享100W供电功率,实现所谓的静态负载共享。在总功率100W的环境下,共同呼应的固件,当有第二个装备拔出时,USB PD节制器可进行智能的分派,将一个USB Type-C端口的功率降落至60W,而第二个拔出的装备可以获得40W功率(拜见图2)。

图2. 为降落本钱,可在多个端口间共享100W供电功率,即所谓的静态负载共享。A)单个装备以100W功率充电;B)在第二部装备拔出后,两部装备可共享端口供应的功率。

  USB Type-C与PD节制器

  为措置USB Type-C和Power Delivery(PD)和谈的复杂性,PD节制器集成了带有PD逻辑的嵌入式微措置器。典范环境下,该微措置器的固件由措置器制造商供应,要么是一个可下载文件,要么是由开辟环境直接天生。

  汽车OEM厂商要在车辆的长生命周期中供应高可靠的处理计划,经由过程USB认证只是最低请求。节制器应获得成熟的软件栈支撑,并经由过程市场查验,如许才气包管USB子体系的可靠性。别的,互操纵性也十分需求。因为两个适合USB标准的装备也一定能一路事情。

  互操纵性在汽车利用中起着首要的感化,互操纵性差,会给用户对劲度造成负面影响。USB端口已生长成为汽车的一项重年夜服从,从充电、音乐流媒体到智妙手机交互,愈来愈多的服从利用USB端口。采办汽车时,人们偶然更关心是不是可以或许轻松地连接办机和播放音乐,而不是发动机运转有多杰出。

  汽车的利用寿命很长,它们不但需求与当今市场上几近每种智妙手机、平板电脑和条记本电脑实现互操纵,还需求与此后几年推出的电子装备实现互操纵。考虑到浅显智妙手机每两年改换一次,互操纵就变得更加首要。

  别的,就如许多标准一样,USB PD标准会随时候推移而演进生长。比方,以后标准支撑具有可编程供电(PPS)服从的Power Delivery 3.0和Quick Charge (QC) 4.0。如果这些标准中的肆意一种标准产生转变(实际上USB Type-C标准和PD标准一向处于转变中),汽车可能就不克不及完整兼容市场上的新型装备。

  实现高可靠、互操纵性的独一路子是利用可编程的USB节制器。利用可编程节制器有助于对USB PD和谈栈进行进级,使之能与最新装备实现互操纵。因为汽车有如此浩繁组件需求利用软件运行,司机们的习惯是,这些软件进级对车主是透明的。因为当一辆车进行保护保养时,技术职员一般会从进级固件开端。

  节制器固然具有嵌入式措置器,但它一定具有可编程才气。以牢固服从的USB节制器为例,它不需求编程,发卖代价也较低。作为替代品的可建设节制器,能供应数量无限的、事后编程的建设选项。

  牢固服从节制器与可建设节制器很适合消耗类电子装备(如USB鼠标)等利用。此类利用的产品寿命最多只需几年时候,并且产品交互简朴,只需与数量无限、且明白定义的几种装备进行互操纵(如PC机和条记本电脑)。

  因为可编程USB节制器能让开辟职员充分阐扬节制器的各项服从,为多种装备的互操纵和各种用例供应最好体验。经由过程反应,节制器能静态调剂和调校本身设置,以针对详细装备优化机能。别的,在引入新标准或产生不测问题的时候,经由过程固件进级,这类USB节制器足以矫捷地处理这些问题。这就有助于汽车OEM厂商在车辆的全部利用寿射中确保互操纵、质量和可靠性。

  值得一提的是,充分阐扬这类节制器的各项服从,其实不需求开辟职员直接为节制器编程。开辟职员利用先进的开辟东西,就可以定义节制器的各种事情形式。接着,开辟东西能主动天生精确的固件。这些东西也简化了更新节制器的过程。

  别的,一些USB节制器制造商还卖力办理新USB装备的互操纵性,为车上USB-C口供应进级用的固件,以应对标准的转变。汽车OEM厂商也就没有需求特地摆设工程资本来自行处置这方面的事情。

  车载USB节制器不合于标准化商品。试想,如果USB鼠标停止事情,不到10美圆便可以改换。但如果车载USB端口停止事情,则需求高贵的质保维修才气规复。是以,车载USB节制器必须适合更高标准。良品率必须远高于消耗类产品。汽车利用的电子装备必须可以或许接受更高的事情温度。汽车组件的保修年限远远善于浅显消耗类电子产品。比方,消耗类节制器的保修年限可能很短,而汽车OEM厂商请求的保修年限则超越10年。

  保证车规级可用性的五项技术

  设想具有更年夜供电才气的USB Type-C子体系,首要应战之一是电源需求过压、过流、ESD和短路庇护和高压栅级驱动器。别的,还需求线缆赔偿,以保证车上旌旗灯号通太长线缆时的旌旗灯号质量。汽车的外部空间常常很局促,且经常在卑劣的环境前提下事情,为了实现可靠运行,还需求加温度节制,节制功率,以防过热和破坏。别的,在向USB Type-C过渡的过程中,OEM厂商需求支撑传统的USB Type-A装备。

  电路庇护:在USB端口的实际利用环境中,USB电路需求防备一系列电气事件。此中,最多见的就是静电放电(ESD)。比方,搭客在塑料椅子下去回挪动或摩擦地毯就会累积静电电荷。如果他们触碰透露在外的USB端口,便可能粉碎车内紧密的电子装备,这些装备维修难度年夜,维修本钱高。

  为了不ESD,体系需求与樊篱地连接,如许就可以宁静地耗散能量。抱负的话,节制器应集成ESD防护服从。凡是,8 KV的打仗放电防护和15 KV的氛围放电防护足以庇护节制器不会因ESD事件破坏。别的,也能够在PCB上加装分外的ESD庇护二极管,进一步加强庇护。

  USB端口还需求防备不测的过压(OV)和过流(OC)环境。过压和过流常产生在装备充电的过程中。在启动充电时,装备和供电体系要在电流和电压上保持分歧。但是,如果体系供应错误的电压或电流,就需求触发过压庇护(OVP)或过流庇护(OCP)电路,起到庇护装备的感化。

  别的,短路庇护也是需求的。在将线缆按必然角度拉拽时,Vbus引脚可能与某一个数字引脚刹时短路。Vbus的电压可高达20V,而数字引脚仅能接受5V,这类短路会破坏相关的端口。与Type-A端口比拟,短路庇护对USB Type-C端口显得更加首要。这是因为,Type-C端口在更松散的空间中塞入了22个引脚(而Type-A为9个),从而进步了Vbus的短路概率。

  抱负环境下,USB节制器应集成短路庇护服从。短路庇护可以重置,如许产生短路时不会破坏节制器。以后可以重置节制器以规复该Type-C口服从,如许短路事件就成为临时的可规复事件,没必要召回车辆入店维修。如果没有集成短路庇护服从,节制器可能被烧毁,导致严峻问题。

  高压栅级驱动:为了支撑后向兼容,USB Type-C接口的默许电压为5V。在供电电压肯定后,节制器可能需求从5V FET切换到20V FET,以支撑更高功率的供电。如果该服从未集成在节制器中,则需求外加电路来驱动更年夜功率的FET,以便为Vbus供应20V电压。

  线缆赔偿:为便利起见,USB端口可能布局在车内各处,比如中控台、后座间的中心储物盒和/或杂物箱内。对不单用于供电的USB端口(如数据服从),USB节制器还很有可能用于信息文娱体系。将储物盒中的端口连接到信息文娱体系可能需求长达10英尺的USB线缆。利用如此长的线缆可能造成严峻的压降,对旌旗灯号质量和可靠性造成倒霉影响。

  为了保持长线缆中的旌旗灯号质量处于可靠的事情范围内,节制器可以施加赔偿。简朴来讲,节制器内的固件可调度输入电压,以赔偿超长线缆产生的压差。这类赔偿可按照利用的线缆长度采纳牢固命值,节制器也能够经由过程按期对领遭到的旌旗灯号进行监控、点窜赔偿调度量,进行静态压降赔偿。

  过温功率节制:采取USB Type-C的另外一应战是若那边理高达100W功率充电时产生年夜量热的问题。过热可能造成一系列问题,包含激发火警和/或破坏正在充电的装备。邻近的、对热比较敏感的组件,如信息文娱体系或导航体系的电子装备,也可能遭到倒霉影响。过年夜的热耗散乃至可能粉碎USB端口本身,需求高贵的保护或保修。

  过温功率节制是避免过热的有效体例。安插在敏感组件中间的热传感器在靠近热阈值时会警示节制器。节制器随即降落充电功率。降落功率后,发热减少,体系便可以冷却上去。与此同时,连接的装备仍然在充电,只是速率降落。这类宁静服从应集成在节制器的微措置器中,并对用户透明。

  支撑传统的USB Type-A口:固然新装备将采取USB Type-C接口,但是利用USB Type-A接口的装备仍有数十亿之多。汽车OEM厂商需求供应Type-A端口,为这些传统装备供应支撑。没必要设想两个伶仃的USB子体系,现有的节制器能同时支撑Type-A端口和Type-C端口(拜见图3)。这类一体化节制器在简化体系设想的同时,最年夜限制地降落了总BOM本钱。

图3  赛普拉斯供应的CCG3PA等异化节制器同时支撑Type-C端口和Type-A端口,是以用户既能连接Type-C端口装备并实现疾速充电,也能连接他们的传统Type-A端口装备并为其充电。

  为了确保电源的可靠性,需求实现上述所有服从。如许会明显增加车载USB Type-C与PD子体系的本钱和空间占用。面向汽车市场的USB节制器将这些服从和其他服从集成在一路(拜见图4),确保全数组件都到达车规请求,可以很好地协同事情、降落本钱、简化设想。减少需求装配的元件数量还可以减少潜伏的毛病点,进步可靠性。

图4. 面向汽车市场设想的USB Type-C节制器,比如这里显现的赛普拉斯CCG3PA,经由过程集成需求组件,确保高可靠供电、降落本钱、简化设想,同时在车辆的利用寿射中保持杰出的互操纵性。

  赛普拉斯是历代USB技术的抢先供应商。汽车OEM厂商利用EZ-PD USB-C CCG3PA节制器,能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全数上风供应给本身的客户。CCG3PA评价套件可为USB Type-C电源适配器/充电器和充电宝设想供应全面的支撑,包含固件天生。

  跟着USB PD敏捷成为汽车的标配服从,能与新一代便携式装备互操纵成为关头。汽车需求支撑USB Type-C接口。从USB Type-A进级到USB Type-C还能支撑疾速充电等新的服从。为了在车辆的全部利用寿命周期中保持高质量和互操纵性,设想职员需求充足矫捷的可编程节制器,以适应USB标准转变、并与基于新标准的将来产品进行互操纵。经由过程将关头服从集成到节制器中,为外部电子装备供应庇护,OEM厂商既能保证可靠性,也能最年夜限制地降落体系本钱。

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