汽車級 USB 充電端口控制器 TPS2586x-Q1 詳解

在汽車電子領(lǐng)域，USB 充電端口的需求日益增長，對其控制器的性能和可靠性也提出了更高要求。TPS2586x-Q1 作為一款集成式 USB 充電端口解決方案，為汽車 USB 充電應(yīng)用提供了出色的性能和豐富的功能。今天，我們就來深入了解一下這款控制器。

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1. 產(chǎn)品概述

TPS2586x-Q1 包含 TPS25860-Q1 和 TPS25862-Q1 兩個型號，適用于 Type-C 和 Type-A 雙端口應(yīng)用。它集成了同步高效直流/直流轉(zhuǎn)換器、檢測和控制功能，支持 USB 電池充電 1.2 和 Type-C 端口標(biāo)準(zhǔn)，能夠為汽車 USB 充電端口提供穩(wěn)定可靠的電源。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 汽車級標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證

符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，溫度等級 1 涵蓋 -40°C 至 +125°C 的工作溫度范圍，HBM ESD 分類等級 H2 和 CDM ESD 分類等級 C5，確保了在汽車惡劣環(huán)境下的可靠性。

2.2 低 EMI 設(shè)計

針對超低 EMI 要求進行優(yōu)化，符合 CISPR25 5 類標(biāo)準(zhǔn)。采用 HotRod? 封裝減少開關(guān)節(jié)點振鈴，展頻技術(shù)降低峰值發(fā)射，有效減少電磁干擾。

2.3 高效同步降壓穩(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 $I{PB _BUS}=2.4A$ 時效率可達 93.6%。具備 18mΩ/10mΩ 低 $R{DS(ON)}$ 降壓穩(wěn)壓器 MOSFET，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)。

2.4 高精度可編程電流限制

USB 端口具有高精度可編程電流限制，在 3.4A 下誤差為 ±10%，能夠根據(jù)不同設(shè)備的需求精確控制充電電流。

2.5 多輸出電壓選項

提供 5.1V、5.17V、5.3V、5.4V 四種可選輸出電壓，可通過 VSET 引腳進行設(shè)置，滿足不同設(shè)備的充電需求。

2.6 電纜壓降補償

具備電纜壓降補償功能，在 2.4A 負(fù)載下補償電壓為 90mV，可有效抵消汽車電纜布線中的導(dǎo)線電阻引起的壓降，確保便攜式設(shè)備在重載下能夠獲得穩(wěn)定的充電電流和電壓。

2.7 熱管理功能

支持智能熱調(diào)節(jié)，通過 TS 引腳連接 NTC 熱敏電阻監(jiān)控環(huán)境溫度或 PCB 板溫度，根據(jù)溫度感應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電流和電壓，防止設(shè)備過熱。

3. 功能模塊詳解

3.1 電源管理

3.1.1 電源關(guān)斷或欠壓鎖定

當(dāng) IN 端子電壓低于 VUVLO 時，設(shè)備進入掉電模式，所有端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng) IN 電壓高于 VUVLO 閾值時，根據(jù) EN/UVLO 電壓進入睡眠模式或活動模式。EN/UVLO 引腳控制設(shè)備的開關(guān)操作，確保滿足 USB Type-C VBUS 的“冷插座”（0V）要求。

3.1.2 輸入過壓保護

當(dāng)輸入電壓超過 26V 時，降壓調(diào)節(jié)器的 HSFET/LSFET 立即關(guān)閉，USB 端口和 OUT 引腳失電。當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，降壓調(diào)節(jié)器繼續(xù)工作。在過壓期間，內(nèi)部調(diào)節(jié)器將 SENSE 電壓調(diào)節(jié)在 5V，為內(nèi)部偏置電路和外部 NTC 上拉參考提供電源。

3.1.3 降壓轉(zhuǎn)換器

采用固定頻率、峰值電流模式控制調(diào)節(jié)輸出電壓，具有電壓反饋環(huán)路實現(xiàn)精確的直流電壓調(diào)節(jié)。內(nèi)部補償設(shè)計減少了外部組件數(shù)量，易于設(shè)計且在合理的輸出電容組合下能穩(wěn)定運行。此外，還支持 PFM 模式，在輕負(fù)載時可提高效率。

3.2 頻率控制

3.2.1 頻率編程

通過 FREQ/SYNC 引腳和 AGND 引腳之間的電阻 $R{FREQ}$ 可對開關(guān)頻率進行編程，公式為 $R{FREQ }(k Omega)=26660 × f_{SW }^{-1.0483}(kHz)$。也可將其與外部時鐘同步，同步范圍為 200kHz 至 3MHz。

3.2.2 頻率選擇建議

雖然開關(guān)頻率可設(shè)置高于 2.4MHz，但考慮到功率損耗，建議設(shè)置在 2.4MHz 以下，以避免芯片結(jié)溫和板溫過高，導(dǎo)致設(shè)備在高溫環(huán)境下進入負(fù)載 shedding 模式。

3.3 電流限制與保護

3.3.1 USB 開關(guān)可編程電流限制

采用兩級電流限制方案，包括典型電流限制 $I{OS _BUS}$ 和二次電流限制 $I{OS _HI}$，$I{OS _HI}$ 為 $I{OS _BUS}$ 的 1.6 倍?？赏ㄟ^ $R_{ILIM}$ 電阻設(shè)置電流限制閾值，內(nèi)置軟啟動電路限制浪涌電流和電壓波動。

3.3.2 兩級 USB 開關(guān)電流限制互鎖

為避免兩個 USB 端口同時輸出大電流導(dǎo)致 DC-DC 調(diào)節(jié)器過載，采用互鎖方案。當(dāng)一個 USB 端口電流超過 $I{OS _BUS}$ 時，另一個 USB 端口的電流限制閾值將被覆蓋為 $I{OS _BUS}$。

3.3.3 逐周期降壓電流限制

在電感電流的峰值和谷值均設(shè)有逐周期電流限制，確保高側(cè)和低側(cè) MOSFET 的過流保護。

3.3.4 OUT 電流限制

OUT 引腳可提供 200mA 電流，當(dāng)電流達到限制水平時，進入恒流限制模式，若過流情況持續(xù)超過 4.1ms，則進入打嗝模式。

3.4 電纜補償

當(dāng)負(fù)載通過長或細(xì)導(dǎo)線汲取電流時，電纜會產(chǎn)生 IR 壓降，影響充電效果。TPS2586x-Q1 的電纜補償功能通過內(nèi)部比較器比較兩個電流限制開關(guān)的電流感測輸出電壓，取較大值補償線路壓降。該功能僅在 VSET 引腳短路到 GND 時可用，輸出電流大于 2.4A 時補償電壓為 90mV。

3.5 熱管理

3.5.1 溫度傳感與保護

TS 輸入引腳用于用戶可編程熱保護，其閾值與 VSENSE 成比例。當(dāng) $V{TS}=0.5 ×V{SENSE }$ 時，若處于 3A Type-C 廣告模式，PA_CC1、PACC2 引腳自動將廣告電流降至 1.5A 水平；當(dāng) $V{TS}=0.65 ×V_{SENSE }$ 時，設(shè)備以默認(rèn) USB 模式運行，SENS 引腳輸出電壓降至 4.77V。若溫度持續(xù)升高達到 OTSD 閾值，設(shè)備將熱關(guān)斷。

3.5.2 熱關(guān)斷

設(shè)備具有內(nèi)部過熱關(guān)斷閾值 $T_{SD}$，當(dāng)溫度超過該閾值時，設(shè)備關(guān)閉。當(dāng)芯片溫度降至 154°C（典型值）以下時，設(shè)備重新啟動。

3.6 USB 控制與指示

3.6.1 USB 使能開關(guān)控制（TPS25862-Q1）

PA_EN 和 PB_EN 引腳分別控制 PA_USB 和 PB_USB 的開關(guān)，高電平使能，低電平關(guān)閉并進行輸出放電?？蓪⑵溥B接到 SENSE 實現(xiàn)自動啟動，也可由外部信號控制。

3.6.2 故障指示

TPS25862-Q1 的 PA_FAULT 和 PB_FAULT 引腳為故障指示引腳，在正常狀態(tài)下為開漏狀態(tài)。當(dāng) USB 開關(guān)進入打嗝模式或觸發(fā)過熱關(guān)斷時，引腳拉低。通過連接 100kΩ 上拉電阻到 SENSE 或其他合適的 I/O 電壓，可方便監(jiān)測故障狀態(tài)。

3.7 USB 端口操作模式

3.7.1 USB Type-C? 模式

端口 A 支持所有 Type-C 功能，當(dāng) SENSE 超過欠壓鎖定閾值且 EN 引腳為高電平時，設(shè)備啟動并監(jiān)測 CC1 和 CC2 引腳。檢測到 UFP 時，USB 電源開關(guān)開啟；若檢測到 Ra，則施加 VCONN 使電流流向連接 Ra 的 CC 引腳。

3.7.2 專用充電端口（DCP）模式（TPS25860-Q1 僅支持）

DCP 模式僅提供電源，不支持?jǐn)?shù)據(jù)連接。TPS25860-Q1 支持 DCP-auto 狀態(tài)，可選擇性實現(xiàn)短路、分壓 3 和 1.2V 模式等充電方案，以滿足不同設(shè)備的充電需求。

4. 應(yīng)用與設(shè)計

4.1 典型應(yīng)用

TPS2586x-Q1 常用于汽車系統(tǒng)中，將車輛電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為 5V 直流輸出，為 USB 設(shè)備供電。典型應(yīng)用包括 Type-A 和 Type-C 雙充電端口以及媒體 HUB 等。

4.2 設(shè)計步驟

4.2.1 輸出電壓設(shè)置

通過 VSET 引腳設(shè)置輸出電壓，短路 VSET 到 GND 可設(shè)置輸出電壓為 5.17V 并啟用電纜補償功能。

4.2.2 開關(guān)頻率選擇

推薦開關(guān)頻率范圍為 250kHz - 2.2MHz，可根據(jù)效率和解決方案尺寸的需求進行選擇。較低的開關(guān)頻率可降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率；較高的開關(guān)頻率可使用更小的電感和輸出電容，實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計。

4.2.3 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。根據(jù)所需的峰 - 峰紋波電流 $Delta i{L}$ 計算最小電感值 $L{MIN}$，公式為 $L{MIN }=frac{V{INMAX }-V{OUT }}{I{OUT } × K{IND }} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW }}$，其中 $K_{IND}$ 取值范圍為 20% - 40%。電感額定電流應(yīng)高于設(shè)備的電流限制。

4.2.4 輸出電容選擇

輸出電容的選擇直接影響輸出電壓紋波、環(huán)路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在系統(tǒng)需要嚴(yán)格電壓調(diào)節(jié)的情況下，輸出電容應(yīng)足夠大，以在負(fù)載電流突變時提供所需電荷，維持輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.2.5 輸入電容選擇

建議使用 X5R 或 X7R 陶瓷電容作為高頻輸入去耦電容，典型值為 10μF，耐壓至少為應(yīng)用所需的最大輸入電壓，最好為最大輸入電壓的兩倍。同時，在 IN 和 PGND 之間使用 100nF 陶瓷電容提供高頻旁路。在某些情況下，可能需要在輸入側(cè)并聯(lián)電解電容以提供阻尼。

4.2.6 自舉電容選擇

自舉電容推薦值為 100nF，耐壓 16V 或更高，應(yīng)使用 X7R 或 X5R 陶瓷電容以確保溫度穩(wěn)定性。

4.2.7 欠壓鎖定設(shè)置

使用外部電阻分壓器 $R{ENT}$ 和 $R{ENB}$ 確定系統(tǒng)欠壓鎖定（UVLO）水平，公式為 $V_{INRISING }=V{ENNH} × frac{R{ENT}+R{ENB }}{R_{ENB}}$。選擇合適的電阻值可確保設(shè)備在所需的輸入電壓范圍內(nèi)正常啟動。

4.2.8 電纜補償設(shè)置

短路 VSET 引腳到地可啟用電纜補償功能，當(dāng) USB 端口電流大于 2.4A 時，補償電壓為 90mV。

4.2.9 FAULT 電阻選擇

FAULT 引腳為開漏輸出標(biāo)志，可連接 100kΩ 上拉電阻到 SENSE 或其他合適的 I/O 電壓，不使用時可懸空或接地。

5. 布局與散熱

5.1 布局指南

PCB 布局對 TPS2586x-Q1 的性能至關(guān)重要，以下是一些布局建議：

• 輸入旁路電容 $C_{IN}$ 應(yīng)盡可能靠近 VIN 和 PGND 引腳，輸入側(cè)高頻陶瓷旁路電容為脈沖電流的高 di/dt 分量提供主要路徑。
• 使用中間層的接地平面進行噪聲屏蔽和散熱。
• 反饋和使能組件的接地連接應(yīng)路由到接地平面，避免開關(guān)或負(fù)載電流在模擬接地跡線中流動。
• SW 引腳與電感的連接應(yīng)盡可能短，使用短而厚的跡線或銅澆鑄以減少寄生電阻。輸出電容應(yīng)靠近電感的 VSENSE 端并與 PGND 引腳和暴露焊盤緊密接地。
• 使 $V_{IN }$、VSENSE 和接地總線連接盡可能寬，以減少電壓降并提高效率。
• 提供足夠的 PCB 面積進行散熱，使用足夠的銅面積確保低 $R_{theta J A}$，推薦使用兩層銅厚為 2 盎司的 PCB 板，若使用多層板，可通過熱過孔連接到內(nèi)層散熱接地平面。

5.2 接地平面與散熱考慮

建議使用中間層作為實心接地平面，為敏感電路和跡線提供屏蔽，并為控制電路提供安靜的參考電位。AGND 和 PGND 引腳應(yīng)通過過孔連接到接地平面，PGND 引腳連接到內(nèi)部低側(cè) MOSFET 開關(guān)的源極，以及輸入和輸出電容的接地端。PGND 網(wǎng)絡(luò)包含開關(guān)頻率噪聲，應(yīng)將其跡線限制在接地平面的一側(cè)，另一側(cè)用于敏感線路。

通過 IC 的 PAD 作為主要散熱路徑，使用至少 4 x 2 陣列的 12 密耳熱過孔將 PAD 連接到系統(tǒng)接地平面散熱器，過孔應(yīng)均勻分布在 PAD 下方。在頂層和底層使用盡可能多的銅用于系統(tǒng)接地平面，以實現(xiàn)最佳散熱效果。推薦使用四層板，銅厚從頂層開始依次為 2oz / 1oz / 1oz / 2oz，這樣的設(shè)計可提供低電流傳導(dǎo)阻抗、適當(dāng)?shù)钠帘魏洼^低的熱阻。

6. 總結(jié)

TPS2586x-Q1 是一款功能強大、性能卓越的汽車級 USB 充電端口控制器，具有低 EMI、高效率、高精度電流限制、智能熱管理等諸多優(yōu)點。通過合理的設(shè)計和布局，能夠為汽車 USB 充電應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的解決方案。在實際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求選擇合適的參數(shù)和組件，以充分發(fā)揮該控制器的性能優(yōu)勢。

各位工程師在使用 TPS2586x-Q1 過程中遇到過哪些問題呢？你對它的哪些特性最感興趣？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。