汽車USB充電新選擇：TPS2585x-Q1深度解析

在汽車電子領(lǐng)域，USB充電端口的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)充電效率、穩(wěn)定性和兼容性的要求也越來越高。德州儀器（TI）的TPS2585x-Q1系列產(chǎn)品，為汽車USB充電端口提供了一個(gè)高度集成的解決方案。本文將深入探討TPS2585x-Q1的特點(diǎn)、功能、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助工程師更好地理解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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一、TPS2585x-Q1概述

TPS2585x-Q1是一款專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的集成式USB充電端口解決方案，包含TPS25850-Q1、TPS25851-Q1和TPS25852-Q1三個(gè)型號(hào)。它集成了同步直流/直流轉(zhuǎn)換器、檢測(cè)和控制功能，可提供最大6.6A的電流，支持USB電池充電1.2和Type-C端口標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車USB充電端口和媒體中心等應(yīng)用。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與低EMI設(shè)計(jì)

• 符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)：溫度等級(jí)1，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，具備HBM ESD分類等級(jí)H2和CDM ESD分類等級(jí)C5，確保在汽車環(huán)境中的可靠性。
• 低EMI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(diǎn)振鈴，展頻技術(shù)降低峰值發(fā)射，有效減少電磁干擾。

2.2 高效同步降壓穩(wěn)壓器

• 高效率：在2.1MHz下，當(dāng)$V{IN}=13.5V$、$I{PA_BUS}=3A$且$I_{PB_BUS}=3A$時(shí)，效率可達(dá)93.4%。
• 寬工作電壓范圍：工作電壓范圍為5.5V至26V，可承受36V輸入，適應(yīng)不同的汽車電源系統(tǒng)。
• 頻率可調(diào)節(jié)：開關(guān)頻率可在200kHz至3MHz之間調(diào)節(jié)，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的頻率，避開AM無線電頻帶或使用較小的電感器。

2.3 低導(dǎo)通電阻與高精度電流限制

• 低$R_{DS(ON)}$：降壓穩(wěn)壓器MOSFET的$R{DS(ON)}$低至18mΩ/10mΩ，內(nèi)部USB功率MOSFET的$R{DS(ON)}$低至7mΩ/7mΩ，降低功率損耗。
• 高精度可編程電流限制：USB端口的電流限制精度在3.4A下為 ±10%，可根據(jù)需要進(jìn)行精確設(shè)置。

2.4 其他特性

• 內(nèi)部電源路徑：集成了7mΩ/7mΩ低$R_{DS(ON)}$內(nèi)部USB功率MOSFET，提供高效的電源路徑。
• 線路壓降補(bǔ)償：在2.4A負(fù)載下，線路壓降補(bǔ)償可達(dá)90mV，確保在長(zhǎng)電纜或高負(fù)載情況下的充電效果。
• OUT電源：可提供5.1V、200mA的輔助負(fù)載電源。

三、功能詳細(xì)解析

3.1 電源控制與保護(hù)

3.1.1 電源關(guān)斷與欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)IN端子電壓低于$V{UVLO}$時(shí)，器件進(jìn)入低功耗模式，所有端子呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)IN電壓高于$V{UVLO}$閾值時(shí)，根據(jù)EN/UVLO引腳電壓，器件進(jìn)入睡眠模式或活動(dòng)模式。EN/UVLO引腳電壓高于$V_{EN/UVLO - H}$時(shí)，內(nèi)部調(diào)節(jié)器啟動(dòng)并開始監(jiān)控CCn線，以檢測(cè)有效的Type-C連接。

3.1.2 輸入過壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)輸入源出現(xiàn)過壓時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器的HSFET/LSFET立即關(guān)閉，USB端口和OUT引腳失去電源。過壓恢復(fù)正常后，降壓調(diào)節(jié)器繼續(xù)工作，為USB端口和OUT引腳供電。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。

3.2 降壓轉(zhuǎn)換器

TPS2585x-Q1集成了單片、同步、整流、降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，采用峰值電流模式控制和內(nèi)部補(bǔ)償，可在寬輸入電源范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)6.6A的連續(xù)輸出電流，并具有出色的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)能力。其工作原理是通過控制高側(cè)（HS）和低側(cè)（LS）NMOS開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，SW引腳電壓在HS開關(guān)導(dǎo)通時(shí)升至約$V_{IN}$，LS開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感電流通過LS開關(guān)放電。

3.3 頻率設(shè)置與同步

3.3.1 FREQ/SYNC引腳

開關(guān)頻率可通過連接在FREQ/SYNC引腳和AGND引腳之間的電阻$R{FREQ}$進(jìn)行編程，計(jì)算公式為$R{FREQ}(kΩ)=26660 × f_{SW}^{-1.0483}(kHz)$。同時(shí)，F(xiàn)REQ/SYNC引腳還可用于將內(nèi)部振蕩器同步到外部時(shí)鐘，外部時(shí)鐘信號(hào)的AC耦合峰值 - 峰值電壓需超過1.2V（典型值），且最小SYNC時(shí)鐘HIGH和LOW時(shí)間需長(zhǎng)于100ns（典型值）。

3.4 電流限制與短路保護(hù)

3.4.1 USB開關(guān)可編程電流限制

TPS2585x-Q1采用兩級(jí)電流限制方案，包括典型電流限制$I{OS_BUS}$和二級(jí)電流限制$I{OS_HI}$，$I{OS_HI}$為$I{OS_BUS}$的1.6倍。通過連接在ILIM引腳的電阻$R{ILIM}$可設(shè)置電流限制閾值，計(jì)算公式為$R{ILIM}(KΩ)=frac{32273}{I_{OS_BUS}(mA)}$。在正常應(yīng)用中，可將ILIM引腳直接接地，設(shè)置默認(rèn)的3.55A電流限制。當(dāng)出現(xiàn)過載情況時(shí)，根據(jù)不同的電流情況，器件會(huì)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如快速關(guān)斷、進(jìn)入打嗝模式等。

3.4.2 聯(lián)鎖機(jī)制

為避免兩個(gè)USB端口同時(shí)拉出大電流導(dǎo)致DC/DC調(diào)節(jié)器過載，TPS2585x-Q1采用聯(lián)鎖機(jī)制。當(dāng)一個(gè)USB端口電流超過$I{OS_BUS}$閾值時(shí)，另一個(gè)USB端口的電流限制閾值立即被覆蓋為$I{OS_BUS}$，確保DC/DC調(diào)節(jié)器有足夠的能量維持輸出電壓。

3.4.3 逐周期降壓電流限制

在電感電流的峰值和谷值都有逐周期電流限制。高側(cè)MOSFET過流保護(hù)通過峰值電流模式控制實(shí)現(xiàn)，低側(cè)MOSFET電流也被監(jiān)測(cè)和限制，以確保系統(tǒng)的安全性。

3.4.4 OUT電流限制

OUT引腳可提供200mA的電流為輔助負(fù)載供電，當(dāng)OUT電流達(dá)到電流限制水平時(shí)，OUT引腳MOSFET進(jìn)入恒流限制模式。若過流情況持續(xù)超過4.1ms，將進(jìn)入打嗝模式。

3.5 電纜補(bǔ)償

當(dāng)負(fù)載通過長(zhǎng)或細(xì)的導(dǎo)線吸取電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生IR壓降，降低負(fù)載端的電壓。TPS2585x-Q1具有內(nèi)置的電纜補(bǔ)償功能，當(dāng)VSET引腳接地時(shí)，隨著負(fù)載電流的增加，SENSE引腳的電壓線性增加，以維持負(fù)載端電壓的相對(duì)恒定。在輸出電流大于2.4A時(shí)，電纜補(bǔ)償電壓為90mV。

3.6 熱管理

3.6.1 溫度傳感與OTSD

TS輸入引腳可實(shí)現(xiàn)用戶可編程的熱保護(hù)，其閾值與$V{sense}$成比例。當(dāng)$V{TS}=0.5 × V{SENSE}$時(shí)，Type-C端口的電流通告自動(dòng)降低到1.5A水平；當(dāng)$V{TS}=0.65 × V_{SENSE}$時(shí)，廣播默認(rèn)USB電源模式，降壓調(diào)節(jié)器輸出電壓降低到4.77V；若溫度繼續(xù)升高達(dá)到OTSD閾值，器件將進(jìn)行熱關(guān)斷。

3.6.2 熱關(guān)斷

器件具有內(nèi)部過溫關(guān)斷閾值$T{SD}$，當(dāng)器件溫度超過$T{SD}$時(shí)，器件關(guān)閉。當(dāng)芯片溫度降至154°C（典型值）以下時(shí)，器件重新啟動(dòng)。

3.7 USB功能

3.7.1 USB使能控制（TPS25852-Q1）

PA_EN和PB_EN引腳分別用于控制PA_USB和PB_USB的開關(guān)，當(dāng)Px_EN引腳拉高時(shí)，USB開關(guān)激活；拉低時(shí)，USB開關(guān)關(guān)閉并進(jìn)行輸出放電?？蓪x_EN連接到SENSE引腳實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)，也可通過外部信號(hào)進(jìn)行控制。

3.7.2 故障指示（TPS25851-Q1和TPS25852-Q1）

PA_FAULT和PB_FAULT引腳分別用于指示PA_USB和PB_USB的故障情況。在正常情況下，F(xiàn)AULT引腳為開漏狀態(tài)；當(dāng)USB開關(guān)進(jìn)入打嗝模式或觸發(fā)過溫?zé)彡P(guān)斷（OTSD）時(shí)，Px_FAULT引腳被拉低。

3.7.3 USB規(guī)范支持

TPS2585x-Q1支持多種常見的USB充電方案，包括USB Type-C（1.5A和3A通告）、USB電池充電規(guī)范BC1.2 DCP模式、中國電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 1591 - 2009、Divider 3模式和1.2-V模式。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 典型應(yīng)用

TPS2585x-Q1通常用于汽車系統(tǒng)中，將車輛電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓，為USB設(shè)備供電。其典型應(yīng)用電路只需幾個(gè)外部組件，集成的降壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)部補(bǔ)償，優(yōu)化了外部電感和電容的選擇，以滿足應(yīng)用需求和控制環(huán)路的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 設(shè)計(jì)步驟

4.2.1 輸出電壓設(shè)置

通過VSET引腳可設(shè)置輸出電壓，將VSET引腳接地可設(shè)置輸出電壓為5.17V并啟用電纜補(bǔ)償功能。不同的VSET配置對(duì)應(yīng)不同的輸出電壓，具體可參考相關(guān)表格。

4.2.2 開關(guān)頻率選擇

推薦的開關(guān)頻率范圍為250kHz - 400kHz以實(shí)現(xiàn)高效率，也可根據(jù)需要選擇其他頻率。選擇開關(guān)頻率時(shí)需要在轉(zhuǎn)換效率和整體解決方案尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，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(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。

4.2.3 電感器選擇

電感器的關(guān)鍵參數(shù)包括電感值、飽和電流和額定電流。電感值根據(jù)所需的峰 - 峰紋波電流$Delta i{L}$計(jì)算，通常選擇使電感紋波電流相對(duì)器件最大輸出電流的系數(shù)$K{IND}$在20% - 40%之間。同時(shí)，電感器的電流額定值必須高于器件的電流限制。

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)的電壓過沖或下沖。一般根據(jù)負(fù)載瞬態(tài)要求選擇合適的電容值和ESR，以確保在負(fù)載變化時(shí)輸出電壓能保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.2.5 輸入電容選擇

TPS2585x-Q1需要高頻輸入去耦電容，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R陶瓷電容，其額定電壓應(yīng)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。此外，還可根據(jù)需要使用電解電容，以提供對(duì)電纜或走線電感引起的電壓尖峰的阻尼。

4.2.6 自舉電容選擇

自舉電容（CBOOT）推薦值為100nF，額定電壓為16V或更高，應(yīng)使用高質(zhì)量的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

系統(tǒng)欠壓鎖定（UVLO）可通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)$R{ENT}$和$R{ENB}$進(jìn)行調(diào)整，其上升和下降閾值可根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算。注意不能直接將EN引腳連接到IN引腳以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，可將EN引腳連接到VSENSE引腳，在輸入電壓在工作范圍內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)。

4.2.8 電纜補(bǔ)償設(shè)置

將VSET引腳接地可啟用電纜補(bǔ)償功能，此時(shí)降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓將隨負(fù)載電流的增加而線性增加，在USB端口電流大于2.4A時(shí)，電壓補(bǔ)償為90mV。

4.3 布局指南

PCB布局對(duì)TPS2585x-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IN和PGND引腳放置，輸入側(cè)的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。
• 接地平面：使用中間層的接地平面作為噪聲屏蔽和散熱路徑，AGND和PGND引腳應(yīng)通過過孔連接到接地平面。
• 自舉電容：$C_{BOOT}$電容應(yīng)靠近器件放置，使用短而寬的走線連接到BOOT和SW引腳。
• SW引腳：連接到電感的SW引腳應(yīng)盡可能短，寬度應(yīng)足以承載負(fù)載電流而不過度發(fā)熱。
• 電阻放置：$R{ILIM}$和$R{FREQ}$電阻應(yīng)盡可能靠近ILIM和FREQ引腳，并連接到AGND。
• 總線連接：使$VIN$、$SENSE$和接地總線連接盡可能寬，以減少轉(zhuǎn)換器輸入或輸出路徑上的電壓降，提高效率。
• 散熱設(shè)計(jì)：提供足夠的PCB面積用于散熱，確保有足夠的銅面積以實(shí)現(xiàn)低$R_{theta JA}$，可使用熱過孔將暴露的焊盤連接到底層PCB的接地平面。
• CC線：保持CC線長(zhǎng)度相近，避免在CC線上創(chuàng)建短截線或測(cè)試點(diǎn)。

五、總結(jié)

TPS2585x-Q1系列產(chǎn)品為汽車USB充電端口應(yīng)用提供了一個(gè)高度集成、高效且可靠的解決方案。其豐富的功能和特性，如低EMI設(shè)計(jì)、高精度電流限制、電纜補(bǔ)償和熱管理等，能夠滿足汽車電子系統(tǒng)對(duì)USB充電的嚴(yán)格要求。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，工程師需要根據(jù)具體需求選擇合適的參數(shù)和外部組件，并遵循合理的布局指南，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用這款產(chǎn)品時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。