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USB Type-C新標(biāo)準(zhǔn)中最令人激動(dòng)的一個(gè)方面是其電力傳輸部分

電子設(shè)計(jì) ? 來源:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 作者:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 2021-12-24 14:58 ? 次閱讀
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USB Type-C新標(biāo)準(zhǔn)中最令人激動(dòng)的一個(gè)方面是其電力傳輸部分。通過USB供電,器件可以成功獲得更多的電力,從而實(shí)現(xiàn)以前無法實(shí)現(xiàn)的功能。手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等便攜式設(shè)備將能夠更快地充電。顯示器等高功率設(shè)備將能夠通過相同的電纜獲得電源和數(shù)據(jù)。

器件和主機(jī)的數(shù)量仍然相對(duì)較少,但正不斷增加。隨著USB Type-C器件的普及,消費(fèi)者也希望在家中、移動(dòng)辦公時(shí)使用它們,尤其是在汽車上。

汽車系統(tǒng)有一套獨(dú)特的要求和設(shè)計(jì)障礙,超出了USB供電的要求。表1所示為汽車系統(tǒng)中的典型電壓。

表1 汽車系統(tǒng)中的典型電壓

狀態(tài) 電壓 持續(xù)時(shí)長(zhǎng)
汽車未運(yùn)行(標(biāo)稱) 12V 持久
汽車正在運(yùn)行(標(biāo)稱) 13V-14.5V 持久
半拖車未運(yùn)行(標(biāo)稱) 24V 持久
半拖車正在運(yùn)行(標(biāo)稱) 26V-29V 持久
12V冷啟動(dòng) 3V-6V 15ms
12V負(fù)載突降瞬變 87V 400ms
24 V負(fù)載突降瞬變 174V 350ms

汽車系統(tǒng)將對(duì)輸入使用保護(hù)和/或調(diào)節(jié),以限制負(fù)載的電壓。該電壓通常限于高出卡車電壓或?yàn)殡姵仉妷旱膬杀?,但低?0V。輸入保護(hù)功能可使輸入電壓介于3-40V之間。

USB Type-A器件僅在5V條件下工作,因此降壓轉(zhuǎn)換器可以創(chuàng)建充電或通信端口。然而,在起動(dòng)條件下,USB Type-A系統(tǒng)不起作用。過去,這并不是一個(gè)很大的問題,因?yàn)檐囕v駕駛員只將車輛起動(dòng)一次,而且起動(dòng)只需要很短的時(shí)間。但是隨著停止起動(dòng)怠速的采用,這種中斷逐漸成為了一個(gè)嚴(yán)重的問題。想像您坐在車中聽著手機(jī)播放的音樂,每次車輛起動(dòng)和停止時(shí),音樂就會(huì)中斷。USB供電允許電壓介于5V-20V之間,為負(fù)載提供適當(dāng)?shù)碾妷菏且粋€(gè)真正存在的問題。

簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器不再能夠執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換。在特定的輸入和輸出電壓范圍內(nèi),一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器也不夠。汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要一臺(tái)可以根據(jù)工況降壓或升壓的轉(zhuǎn)換器。

一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合這些標(biāo)準(zhǔn),包括單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)、反激式或非反向降壓-升壓。非反向降壓-升壓類別還包括雙開關(guān)或四開關(guān)的選項(xiàng)。圖1所示為每個(gè)拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖。

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圖1 非反向降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖

這些拓?fù)渲械拿恳粋€(gè)都包含權(quán)衡,如表2所列。

表2選擇非反向降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)的權(quán)衡

狀態(tài) 電壓 持續(xù)時(shí)長(zhǎng)
汽車未運(yùn)行(標(biāo)稱) 12V 持久
汽車正在運(yùn)行(標(biāo)稱) 13V-14.5V 持久
半拖車未運(yùn)行(標(biāo)稱) 24V 持久
半拖車正在運(yùn)行(標(biāo)稱) 26V-29V 持久
12V冷啟動(dòng) 3V-6V 15ms
12V負(fù)載突降瞬變 87V 400ms
24 V負(fù)載突降瞬變 174V 350ms

SEPIC和反激式轉(zhuǎn)換器所具有的性能高度相似;然而,SEPIC的鉗位輸入電壓和現(xiàn)成的電感使其對(duì)汽車應(yīng)用更具吸引力。雙開關(guān)降壓-升壓在功率上受限,其范圍與SEPIC類似,但對(duì)雙開關(guān)降壓-升壓控制器來說,可用選項(xiàng)很少。因此,只能將SEPIC用于低功耗應(yīng)用(5-50W),而將四開關(guān)降壓-升壓用于高功率應(yīng)用(30-100W)。

汽車環(huán)境中的許多應(yīng)用可以從USB供電中受益,其中包括:

車輛(5, 9, 15或20V)中可達(dá)100W的充電端口。

從便攜式設(shè)備充電和接受數(shù)據(jù)的信息娛樂端口。

信息娛樂輸出端口——例如,連接到車輛后部監(jiān)視器并通過同一根電纜提供電源和數(shù)據(jù)的端口。

可從汽車提供電源和數(shù)據(jù)的診斷端口。

USB Type-C尚未應(yīng)用于車輛,但很快就會(huì)得到應(yīng)用。目前還有許多電源障礙需要解決,以確保獲得無故障的用戶體驗(yàn)。輸入和輸出電壓的變化使得非反向降壓-升壓電源成為理想的選擇。對(duì)于低成本和低功耗解決方案來說,SEPIC可能是合適的選擇。對(duì)功率和效率更高的設(shè)計(jì)來說,四開關(guān)降壓-升壓法可以提供一個(gè)非常有吸引力的解決方案。在汽車環(huán)境中通過USB 供電的應(yīng)用數(shù)量只會(huì)增加不會(huì)減少,這意味著電源設(shè)計(jì)的機(jī)遇將會(huì)更加多元。

審核編輯:何安

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