TPS2586x-Q1：汽車USB充電端口的高效解決方案

在汽車電子領(lǐng)域，USB充電端口的需求日益增長(zhǎng)。為了滿足這一需求，德州儀器（TI）推出了TPS2586x-Q1系列產(chǎn)品，這是一款集成式USB充電端口解決方案，專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)。本文將深入探討TPS2586x-Q1的特性、應(yīng)用、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及相關(guān)注意事項(xiàng)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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一、TPS2586x-Q1的特性亮點(diǎn)

1. 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)

TPS2586x-Q1符合面向汽車應(yīng)用的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，溫度等級(jí)1涵蓋了 -40°C至 +125°C的范圍，HBM ESD分類等級(jí)為H2，CDM ESD分類等級(jí)為C5，這確保了產(chǎn)品在汽車復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 超低EMI優(yōu)化

該產(chǎn)品針對(duì)超低EMI要求進(jìn)行了優(yōu)化，符合CISPR25 5類標(biāo)準(zhǔn)。采用HotRod?封裝可最大限度地減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，展頻技術(shù)可降低峰值發(fā)射，同步降壓穩(wěn)壓器在2.2MHz下具有高效率，例如在$V{IN}=12 ~V$、$I{PA _ BUS}=3 ~A$且$I{PB BUS}=2.4$時(shí)效率為93.6%。

3. 寬工作電壓范圍與高效降壓穩(wěn)壓器

工作電壓范圍為5.5V至26V，可承受36V輸入，頻率可在200kHz至3MHz之間調(diào)節(jié)。具有展頻頻譜抖動(dòng)的FPWM模式，可選輸出電壓包括5.1V、5.17V、5.3V、5.4V。內(nèi)部采用18mΩ/10mΩ低$R_{DS(ON)}$降壓穩(wěn)壓器MOSFET，提高了轉(zhuǎn)換效率。

4. 高精度可編程電流限制與其他功能

USB端口具有高精度可編程電流限制，在3.4A下為 ±10%。還提供用于輔助負(fù)載的5.1V、200mA電源OUT，支持線路壓降補(bǔ)償，在2.4A負(fù)載下為90mV，符合USB-IF標(biāo)準(zhǔn)Type-C 1.3版，在CC上具有3A電流通告能力。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

TPS2586x-Q1主要應(yīng)用于汽車USB充電端口和汽車USB媒體中心。在汽車中，為乘客提供便捷的USB充電功能是必不可少的，而TPS2586x-Q1能夠滿足多端口、大電流充電的需求，同時(shí)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓由VSET引腳編程，短接VSET到GND可設(shè)置輸出電壓為5.17V并啟用電纜補(bǔ)償功能，輸出電壓會(huì)隨負(fù)載電流線性增加。如果不需要電纜補(bǔ)償，可使用0-Ω$R_{IMON}$電阻。

2. 開(kāi)關(guān)頻率選擇

推薦的開(kāi)關(guān)頻率范圍為250 KHz - 2.2 MHz，以實(shí)現(xiàn)高效率。較低的開(kāi)關(guān)頻率可降低開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，但需要較大的電感和輸出電容；較高的開(kāi)關(guān)頻率則允許使用較小的電感和電容，使設(shè)計(jì)更加緊湊。在汽車USB充電應(yīng)用中，通常選擇400kHz（低于AM頻段）或2.1MHz（高于AM頻段）。

3. 電感選擇

電感的關(guān)鍵參數(shù)包括電感值、飽和電流和額定電流。電感值基于所需的峰 - 峰紋波電流$Delta i{L}$計(jì)算，通常使用最大輸入電壓來(lái)計(jì)算最小電感值$L{MIN}$。一般來(lái)說(shuō)，$K_{IND}$（電感紋波電流相對(duì)于設(shè)備最大輸出電流的比例）取值在20% - 40%之間較為合理。

4. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇直接影響穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波、環(huán)路穩(wěn)定性以及負(fù)載電流瞬變時(shí)的電壓過(guò)沖/欠沖。在系統(tǒng)需要嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)的情況下，輸出電容要能夠在負(fù)載快速變化時(shí)提供足夠的電荷，以維持輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

5. 輸入電容選擇

需要使用高頻輸入去耦電容，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R陶瓷電容，其電壓額定值應(yīng)至少滿足應(yīng)用的最大輸入電壓，最好為最大輸入電壓的兩倍。此外，還需要在IN和PGND之間使用一個(gè)小尺寸的100-nF陶瓷電容，為設(shè)備內(nèi)部的控制電路提供高頻旁路。

6. 自舉電容選擇

自舉電容（CBOOT）推薦值為100 nF，額定電壓為16 V或更高。應(yīng)選擇具有X7R或X5R級(jí)電介質(zhì)的陶瓷電容，以確保在溫度和電壓變化時(shí)的穩(wěn)定性。

7. 欠壓鎖定設(shè)置

系統(tǒng)欠壓鎖定（UVLO）可通過(guò)外部電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)$R{ENT}$和$R{ENB}$進(jìn)行調(diào)整。需要注意的是，不能直接將EN連接到IN引腳進(jìn)行自啟動(dòng)，因?yàn)镋N引腳的電壓額定值為11 V，直接連接可能會(huì)損壞設(shè)備。最簡(jiǎn)單的啟用方式是將EN連接到SENSE引腳。

8. 電纜補(bǔ)償設(shè)置

短接VSET引腳到地可啟用電纜補(bǔ)償功能，此時(shí)降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓會(huì)隨負(fù)載電流線性增加，在USB端口電流大于2.4 A時(shí)，電壓補(bǔ)償為90 mV。

9. 故障電阻選擇

FAULT引腳為開(kāi)漏輸出標(biāo)志，可連接一個(gè)100-kΩ上拉電阻到SENSE或其他合適的I/O電壓。當(dāng)不使用時(shí)，F(xiàn)AULT引腳可以懸空或接地。

四、布局與散熱考慮

1. 布局指南

PCB布局對(duì)TPS2586x-Q1的性能至關(guān)重要。輸入旁路電容$C{IN}$應(yīng)盡可能靠近VIN和PGND引腳，使用中間層的接地平面作為噪聲屏蔽和散熱路徑，確保單點(diǎn)接地連接到平面，SW引腳連接到電感的線路應(yīng)盡可能短且寬，以減少寄生電阻。同時(shí)，要使$V{IN}$、VSENSE和接地總線連接盡可能寬，以降低輸入或輸出路徑上的電壓降，提高效率。

2. 接地平面和散熱

建議使用中間層作為實(shí)心接地平面，AGND和PGND引腳應(yīng)通過(guò)過(guò)孔連接到接地平面。使用IC的PAD作為主要散熱路徑，通過(guò)至少4 x 2陣列的12-mil熱過(guò)孔將PAD連接到系統(tǒng)接地平面散熱器。多層板設(shè)計(jì)中，足夠的銅厚度可提供低電流傳導(dǎo)阻抗、適當(dāng)?shù)钠帘魏洼^低的熱阻。

五、功能特性詳解

1. 電源管理

當(dāng)IN端子電壓低于VUVLO時(shí)，設(shè)備處于掉電模式；當(dāng)IN電壓高于VUVLO閾值時(shí)，根據(jù)EN/UVLO電壓，IC進(jìn)入睡眠模式或活動(dòng)模式。EN/UVLO引腳控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作，可通過(guò)連接EN到SENSE實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。

2. 輸入過(guò)壓保護(hù)

TPS2586x-Q1的工作電壓范圍最高可達(dá)26 V。當(dāng)輸入源出現(xiàn)過(guò)壓時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器的HSFET/LSFET會(huì)立即關(guān)閉，USB端口和OUT引腳失去電源。過(guò)壓恢復(fù)正常后，降壓調(diào)節(jié)器繼續(xù)工作。

3. 降壓轉(zhuǎn)換器

集成了單片、同步、整流、降壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，通過(guò)控制占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路通過(guò)調(diào)整占空比D來(lái)保持輸出電壓恒定。

4. 頻率同步

開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)FREQ/SYNC引腳和AGND引腳之間的電阻$R_{FREQ}$進(jìn)行編程，也可將內(nèi)部振蕩器同步到外部時(shí)鐘，同步范圍為200 KHz至3 MHz。

5. 自舉電壓

提供集成的自舉電壓調(diào)節(jié)器，BOOT和SW引腳之間的小電容為高端MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。BOOT電容在高端MOSFET關(guān)閉且低端開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行刷新。

6. 最小導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間

最小導(dǎo)通時(shí)間$T{ON _ MIN}$和最小關(guān)斷時(shí)間$T{OFF _ MIN}$限制了在選定開(kāi)關(guān)頻率下的電壓轉(zhuǎn)換范圍。較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)使允許的占空比范圍變窄。

7. 內(nèi)部補(bǔ)償

TPS2586x-Q1采用內(nèi)部補(bǔ)償，確保在指定的工作頻率和輸出電壓范圍內(nèi)環(huán)路響應(yīng)穩(wěn)定。

8. 可選輸出電壓

通過(guò)VSET引腳可設(shè)置四種不同的輸出電壓選項(xiàng)，分別為5.1V、5.17V、5.3V和5.4V。

9. 電流限制和短路保護(hù)

具有精密可編程電流限制和逐周期電流限制，可保護(hù)USB端口免受極端過(guò)載條件的影響。采用兩級(jí)電流限制方案，當(dāng)USB端口電流超過(guò)初級(jí)電流限制閾值時(shí)，會(huì)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

10. 熱管理

通過(guò)TS輸入引腳實(shí)現(xiàn)用戶可編程熱保護(hù)。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)降低Type-C端口的電流通告水平，甚至降低輸出電壓，以保護(hù)設(shè)備。當(dāng)溫度超過(guò)熱關(guān)斷閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)行熱關(guān)斷，溫度降低后再嘗試重新啟動(dòng)。

11. USB端口操作模式

支持USB Type-C模式和專用充電端口（DCP）模式（僅TPS25860-Q1）。在USB Type-C模式下，端口A可監(jiān)測(cè)CC1和CC2引腳，檢測(cè)到UFP時(shí)開(kāi)啟USB電源開(kāi)關(guān)；在DCP模式下，可實(shí)現(xiàn)多種充電方案，以滿足不同設(shè)備的充電需求。

六、總結(jié)與思考

TPS2586x-Q1為汽車USB充電端口提供了一個(gè)全面、高效、可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇開(kāi)關(guān)頻率、電感、電容等參數(shù)，同時(shí)注意PCB布局和散熱設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮如何進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)效率、降低成本以及提高系統(tǒng)的抗干擾能力等問(wèn)題。例如，如何在滿足EMI要求的前提下，進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)頻率以提高效率；如何選擇合適的保護(hù)電路，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的汽車電氣環(huán)境。希望本文能為電子工程師在使用TPS2586x-Q1進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。