汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器 TPS25762-Q1 深度解析

在汽車電子領(lǐng)域，USB 充電和數(shù)據(jù)傳輸需求日益增長，對 USB 電力輸送控制器的性能和可靠性提出了更高要求。TPS25762-Q1 作為一款汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器，憑借其卓越的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析 TPS25762-Q1 的各項(xiàng)特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師提供全面的參考。

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特性亮點(diǎn)

符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)

TPS25762-Q1 滿足 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，具備出色的可靠性和穩(wěn)定性。其器件溫度等級 1 支持 -40°C 至 +125°C 的環(huán)境工作溫度范圍，能夠適應(yīng)各種惡劣的汽車環(huán)境。同時(shí)，器件 HBM ESD 分類等級 2 和 CDM ESD 分類等級 C2b 提供了良好的靜電防護(hù)能力，增強(qiáng)型連接器引腳 ESD 保護(hù)功能進(jìn)一步提升了器件的抗干擾能力。

強(qiáng)大的 USB 電力輸送支持

該控制器具有可編程電源 (PPS) 支持，寬 VIN 范圍為 5.5V 至 18V（最大 40V），集成降壓/升壓轉(zhuǎn)換器可支持高達(dá) 65W 的 USB PD 輸出功率。VBUS 輸出范圍為 3.3V 至 21V，步長為 ±20mV，IBUS 輸出范圍為 0A 至 3A，電流限制步長為 ±50mA，能夠滿足不同設(shè)備的充電需求。此外，VBUS 短接 $V{BAT}$ 和接地保護(hù)、$V{BUS}$ 電纜壓降補(bǔ)償、MFi 過流保護(hù)等功能，確保了充電過程的安全和穩(wěn)定。

豐富的端口配置選項(xiàng)

TPS25762-Q1 提供了多種端口配置選項(xiàng)，包括 1 個(gè) USB-PD 端口（TPS25762-Q1）、1 個(gè)支持 DisplayPort over USB-C? (DP 交替模式) 的 USB-PD 端口（TPS25763-Q1）以及 2 個(gè) USB-PD 端口（TPS25772-Q1），可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活選擇。

符合 USB 要求

該控制器符合 USB Type-C? 電力輸送 3.1 版要求，通過 USB–IF PPS 認(rèn)證（TPS25762-Q1 TID:9509，TPS25772-Q1 TID:9161），確保了與各種 USB 設(shè)備的兼容性。同時(shí)，支持 USB 電纜極性檢測、電池充電規(guī)范 v1.2 (BC1.2)、DCP、傳統(tǒng)快速充電等多種充電模式，滿足不同用戶的充電需求。

應(yīng)用場景

TPS25762-Q1 適用于多種汽車類 USB 充電和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，如汽車媒體中心、汽車音響主機(jī)、汽車后座娛樂系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用中，TPS25762-Q1 能夠?yàn)?USB 設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電力輸送，同時(shí)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

詳細(xì)說明

器件組成

TPS25762-Q1 包含七個(gè)子塊：USB-PD 控制器、Type-C 電纜插拔和方向檢測電路、USB 端點(diǎn)、USB 電池充電規(guī)范版本 1.2 (BC1.2) 檢測電路、數(shù)字內(nèi)核、器件電源管理和監(jiān)控電路以及帶 4 個(gè)集成電源開關(guān)的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。這些子塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了 USB-PD 協(xié)議的物理層 (PHY) 功能、電纜插拔和方向檢測、USB 端點(diǎn)通信、電池充電檢測以及電源管理和監(jiān)控等功能。

降壓/升壓穩(wěn)壓器運(yùn)行

TPS25762-Q1 采用固定頻率、電流模式控制降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，以強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 運(yùn)行。根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，轉(zhuǎn)換器可在降壓、降壓轉(zhuǎn)換、升壓轉(zhuǎn)換和升壓四種工作區(qū)域之間切換，確保在不同的輸入輸出條件下都能實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。

開關(guān)頻率和抖動

PWM 振蕩器頻率 $(f{sw})$ 可由固件通過應(yīng)用配置 GUI 進(jìn)行編程，提供 300kHz、400kHz 和 450kHz 三種標(biāo)稱設(shè)置。頻率抖動功能可由固件啟用，通過三角波形調(diào)制使標(biāo)稱振蕩器頻率以 ±FS${SS}$（約 ±10%）進(jìn)行抖動，分散開關(guān)產(chǎn)生的頻譜峰值，降低峰值諧波水平，簡化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)。

電源保護(hù)

TPS25762-Q1 具備完善的電源保護(hù)功能，包括 $V{IN}$ 過壓保護(hù)、負(fù)載突降保護(hù)、雙電池保護(hù)、反向電池保護(hù)等。當(dāng) $V{IN}$ 超過大約 19V 時(shí)，輸入過壓保護(hù)電路會關(guān)閉開關(guān)轉(zhuǎn)換器，保護(hù)動力總成免受損壞。

反饋路徑和補(bǔ)償

該控制器具有可編程電壓反饋路徑和可編程平均電流反饋路徑，可將開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供的平均電流限制到 USB 電纜。內(nèi)部補(bǔ)償功能確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，總體斜率補(bǔ)償和環(huán)路補(bǔ)償根據(jù)電感和電容值進(jìn)行固定設(shè)置。

輸出電壓調(diào)節(jié)和電纜壓降補(bǔ)償

降壓/升壓輸出電壓在 CSN/VBUS 引腳處進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 VDAC 可實(shí)現(xiàn) ±20mV 階躍電壓調(diào)整。電纜壓降補(bǔ)償功能可根據(jù)負(fù)載電流的增加線性增加 VCSP/BUS 電壓，提高充電效率。

USB-PD 物理層

TPS25762-Q1 中實(shí)現(xiàn)的 USB-PD 物理層符合 USB-PD 規(guī)范，采用雙相標(biāo)記編碼 (BMC) 進(jìn)行信令發(fā)送。發(fā)送器和接收器符合定義的 USB-PD BMC TX 和 Rx 掩碼，確保了 USB-PD 消息的準(zhǔn)確傳輸。

VCONN 電源管理

內(nèi)部 VCONN 源端電源路徑可通過固件進(jìn)行配置，僅使用內(nèi)部 LDO_5V 電源時(shí)，端口 A 能夠持續(xù)消耗 20mA 的電流；如果有外部 5V 穩(wěn)壓器連接到 LDO_5V 引腳并且啟用了應(yīng)用程序 GUI 設(shè)置，則端口 A 能夠持續(xù)消耗 200mA 的電流。同時(shí)，VCONN 電源開關(guān)具備電流限制和反向電流阻斷功能，確保了 VCONN 電源的安全和穩(wěn)定。

電纜插拔和方向檢測

TPS25762-Q1 能夠自動檢測 USB Type-C 電纜插頭插入情況和電纜方向。當(dāng)端口作為 Type-C 源端運(yùn)行時(shí)，通過驅(qū)動電流 $Rp1.5A$ 并監(jiān)控 Px_CCy 引腳的電壓變化，可實(shí)現(xiàn)電纜連接和接收端連接的檢測。當(dāng)端口作為 Type-C 接收端運(yùn)行時(shí)，通過在每個(gè) PA_CCy 引腳上提供下拉電阻 RSNK，等待源端連接并上拉引腳上的電壓，實(shí)現(xiàn)接收端連接的檢測。

ADC 功能

該控制器內(nèi)置 8 位逐次逼近 ADC，可對器件中各種電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測。每個(gè) ADC 電壓輸入均分壓為 1.2V 的滿量程輸入，應(yīng)用程序固件可以選擇要在輪詢自動讀數(shù)模式下進(jìn)行自動時(shí)序控制的任意通道組。

BC 1.2 模式和快速充電模式

TPS25762-Q1 支持 BC 1.2 下行端口充電器仿真，可通過應(yīng)用程序 GUI 進(jìn)行配置。支持 DCP（專用充電端口）短路模式、Divider-3 模式、1.2V 模式和 HVDCP（高壓專用充電端口）模式等多種充電模式，滿足不同設(shè)備的充電需求。

數(shù)字接口和 I2C 接口

TPS25762-Q1 包含一個(gè)用于與 I2C 目標(biāo)器件進(jìn)行通信的 I2C 控制器，根據(jù)應(yīng)用程序 GUI 固件配置，可能有可用的 I2C 目標(biāo)和 GPIO。I2C 接口支持標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速 + 模式，具備時(shí)鐘延展、地址設(shè)置和上拉電阻計(jì)算等功能，確保了與外部設(shè)備的可靠通信。

應(yīng)用和實(shí)施

典型應(yīng)用

TPS25762-Q1 的典型應(yīng)用包括 65W 輸出汽車 USB Type-C 電力輸送端口。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的元件參數(shù)，如電感器、輸入和輸出電容、SWx 緩沖器和電流檢測濾波器元件等。

設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮輸入電壓范圍、UVLO 導(dǎo)通電壓、USB PD 功率、輸出電壓和負(fù)載電流等目標(biāo)參數(shù)。同時(shí)，要確保 $V_{IN}$ 和 $Vout$ 充分去耦，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的器件運(yùn)行。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

應(yīng)用程序 GUI 選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在應(yīng)用程序 GUI 中選擇合適的參數(shù)，如降壓/升壓和 USB 輸入、低電池電量輸入、熱管理輸入等。

EEPROM 選擇

需要使用 EEPROM 來存儲用戶應(yīng)用配置數(shù)據(jù)和固件補(bǔ)丁更新，選擇符合要求的 EEPROM 器件，如 On Semi CAV24C256、Microchip 24LC256 等。

EN/UVLO 配置

通過在 IN 電源電壓和 EN/UVLO 引腳之間連接電阻分壓器，建立高于 $V_{IN(UVLO_R)}$ 的導(dǎo)通電壓，確保器件在合適的電壓條件下啟動。

檢測電阻器和濾波器元件選擇

選擇合適的檢測電阻器 $R{SNS}$ 和濾波器元件，如 $R{CSP}$、$R{CSN}$ 和 $C{FLT}$，以滿足 USB PD PPS 電流限制精度要求。

電感器電流計(jì)算

根據(jù)輸入輸出電壓和開關(guān)頻率，計(jì)算電感器在降壓和升壓模式下的電流，選擇合適的電感器值，確保轉(zhuǎn)換器能夠提供足夠的輸出功率。

輸出和輸入電容器選擇

在升壓模式下，輸出電容器會出現(xiàn)高紋波電流，需要選擇合適的輸出電容器，如陶瓷電容器和大容量電容器的組合，以提供低 ESR 和高紋波電流容量。在降壓模式下，輸入電容器可提供高紋波電流，同樣需要選擇合適的輸入電容器。

布局指南

在 PCB 布局時(shí)，需要將敏感信號與電源路徑分離，遵循以下布局指南：

• 為 IN、OUT 和 $V_{BUS}$ 電容器使用大容量電容器和較小且串聯(lián)阻抗較低的陶瓷電容器的組合，將較小的電容器放置在更靠近 IC 的位置。
• 放置電流檢測電阻器和濾波器元件時(shí)，將電流檢測信號的濾波電容器盡可能靠近 IC CSP 和 CSN/BUS 放置，避免跨越有噪聲的區(qū)域。
• 將 CBUS 放置在 $R{SNS}$ 和 USB Type-C 連接器之間，將 $C{IN}$、$C{OUT}$ 和 $C{BUS}$ 接地連接盡可能靠近 IC 放置，并在多個(gè)層上使用較寬的接地線和/或平面。
• 分離電源路徑和信號路徑，避免電源或開關(guān)電流流過 AGND 連接。
• USB 數(shù)據(jù)線、DP 和 DM 必須在 IC 引腳和 USB 連接器之間進(jìn)行差分布線，控制阻抗并減少信號反射和阻抗變化。
• CC 線使用 10mil 布線，確保可以通過 VCONN 獲得所需的電流來支持帶電的 Type-C 電纜。

總結(jié)

TPS25762-Q1 作為一款高性能的汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器，具有豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要充分了解其各項(xiàng)特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇元件參數(shù)和進(jìn)行 PCB 布局，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)，德州儀器提供了豐富的文檔支持和技術(shù)資源，工程師可以通過訪問 TI 主頁獲取最新技術(shù)文檔，參與 TI E2E? 中文支持論壇獲取快速、經(jīng)過驗(yàn)證的解答和設(shè)計(jì)幫助。希望本文能夠?yàn)殡娮庸こ處熢谑褂?TPS25762-Q1 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。