汽車USB充電端口的理想之選：TPS2583x-Q1同步降壓穩(wěn)壓器

在汽車電子領(lǐng)域，USB充電端口的性能與穩(wěn)定性至關(guān)重要。德州儀器（TI）推出的TPS2583x-Q1系列同步降壓直流/直流穩(wěn)壓器，為汽車信息娛樂系統(tǒng)、USB媒體中心及充電器端口等應(yīng)用提供了卓越的解決方案。下面，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：tps25831-q1.pdf

特性亮點：集成保護與高效穩(wěn)壓的完美結(jié)合

集成式保護，為系統(tǒng)安全保駕護航

TPS2583x-Q1具備全面的集成式保護功能，涵蓋了$V{BUS}$對$V{BAT}$短路保護、DP_IN和DMIN對$V{BAT}$和$V{BUS}$短路保護，以及CC1和CC2線對$V{BAT}$短路保護等。同時，其DP_IN、DM_IN符合CCx IEC 61000 - 4 - 2標(biāo)準(zhǔn)，能有效抵御靜電放電的影響。該產(chǎn)品還符合面向汽車應(yīng)用的AEC - Q100標(biāo)準(zhǔn)，溫度等級可達 - 40°C至 + 125°C，具備HBM ESD分類等級H2和CDM ESD分類等級C5，并且提供功能安全相關(guān)文檔，有助于進行功能安全系統(tǒng)設(shè)計。

同步降壓直流/直流穩(wěn)壓器，性能卓越

作為一款同步降壓直流/直流穩(wěn)壓器，TPS2583x-Q1的輸入電壓范圍為4.5V至36V，輸出電流可達3.5A，輸出電壓為5.1V，精度高達±1%。它采用電流模式控制，頻率可在300kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，還能與外部時鐘頻率同步，具備擴頻頻譜抖動的FPWM模式，內(nèi)置補償功能，使用起來更加便捷。

符合USB標(biāo)準(zhǔn)，滿足多樣化需求

該產(chǎn)品符合USB - IF標(biāo)準(zhǔn)，支持USB Type - C? 1.3版，具備CC邏輯、VCONN拉電流和放電電流，以及USB電纜極性保護$(overline{POL})$。同時，它還符合USB BC1.2規(guī)范的CDP/SDP模式，TPS25831 - Q1還具備自動DCP模式，支持DCP短路模式和YD/T 1591 - 2009標(biāo)準(zhǔn)，以及2.7V分壓器3模式。此外，它還能承受±8kV接觸放電和±15kV空氣放電，具備故障標(biāo)志報告功能，采用具有可濕性側(cè)面的32引腳QFN封裝。

工作原理：精準(zhǔn)控制與高效轉(zhuǎn)換

降壓調(diào)節(jié)器：穩(wěn)定輸出的核心

TPS2583x - Q1是一款同步降壓調(diào)節(jié)器，集成了高端（HS）和低端（LS）開關(guān)（同步整流器）。通過控制HS和LS NMOS開關(guān)的占空比，它能提供穩(wěn)定的輸出電壓。在高端開關(guān)導(dǎo)通期間，SW引腳電壓升至約$V_{IN}$，電感電流$iL$以線性斜率增加；當(dāng)HS開關(guān)關(guān)閉后，經(jīng)過一段抗直通死區(qū)時間，LS開關(guān)導(dǎo)通，電感電流通過LS開關(guān)放電。調(diào)節(jié)器控制回路通過調(diào)整占空比D來維持輸出電壓恒定，在理想情況下，D與輸出電壓成正比，與輸入電壓成反比。

開關(guān)頻率與同步：靈活調(diào)節(jié)與協(xié)同工作

其開關(guān)頻率可通過RT/SYNC引腳與GND引腳之間的電阻$R{T}$進行編程，計算公式為$R{FREQ }(k Omega)=26660 × f_{SW }^{-1.0483}(kHz)$。同時，該產(chǎn)品還能與300kHz至2.3MHz的外部時鐘同步，當(dāng)RT/SYNC引腳連接外部時鐘時，通過交流耦合正邊沿可實現(xiàn)內(nèi)部振蕩器的同步。不過，當(dāng)使用外部時鐘同步時，擴頻功能將關(guān)閉。

電纜補償：克服電壓降的有效手段

當(dāng)負載通過長或細的導(dǎo)線汲取電流時，會產(chǎn)生IR降，導(dǎo)致負載端電壓降低。TPS2583x - Q1通過檢測負載電流，根據(jù)$R{SNS}$、$R{SET}$和$R{IMON}$電阻設(shè)置的增益，線性增加CSN/OUT引腳的電壓，以補償充電路徑中的IR降，確保無論負載條件如何，USB連接器處的$V{BUS}$電壓都能保持在5V左右。

應(yīng)用設(shè)計：合理選型與布局優(yōu)化

設(shè)計流程：參數(shù)確定與元件選擇

在設(shè)計TPS2583x - Q1應(yīng)用電路時，首先需要確定一些關(guān)鍵參數(shù)，如電纜補償所需的總電阻、充電端口的最大連續(xù)輸出電流等。然后，根據(jù)這些參數(shù)選擇合適的元件，包括電感、輸出電容、輸入電容、自舉電容、VCC電容等。

元件選擇要點

• 電感：電感的電感值、飽和電流和額定電流是關(guān)鍵參數(shù)。電感值應(yīng)根據(jù)所需的峰 - 峰紋波電流$Delta i_{L}$來計算，一般建議電感電流紋波占最大輸出電流的20% - 40%。在選擇電感時，應(yīng)綜合考慮瞬態(tài)響應(yīng)、DCR和尺寸等因素。
• 輸出電容：輸出電容的值和ESR決定了輸出電壓紋波和負載瞬態(tài)性能。通常，輸出電容組受負載瞬態(tài)要求的限制，可通過相關(guān)公式估算所需的總輸出電容和ESR上限。
• 輸入電容：輸入電容應(yīng)包括高頻去耦電容和大容量電容。高頻去耦電容應(yīng)選用高品質(zhì)的陶瓷電容，大容量電容的選擇則需考慮汽車電池到TPS2583x - Q1 IN引腳的引線長度、發(fā)動機冷啟動或熱啟動要求等因素。

布局注意事項

布局對于電源設(shè)計至關(guān)重要，合理的布局能提高電源轉(zhuǎn)換性能、熱性能，并減少不必要的EMI。以下是一些布局指南：

• 輸入電容：輸入旁路電容$C_{IN}$應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳放置，輸入和輸出電容的接地應(yīng)采用局部頂層平面連接到PGND引腳和PAD。不同值和封裝的電容組合有助于提高EMC性能。
• $V_{CC}$旁路電容：$V_{CC}$旁路電容應(yīng)靠近VCC引腳放置，并接地到器件地。
• 接地平面：建議使用中間層的實心接地平面，為敏感電路和走線提供屏蔽，并為控制電路提供穩(wěn)定的參考電位。
• 熱焊盤：QFN封裝的熱焊盤應(yīng)焊接到PCB接地平面，作為散熱路徑，可使用熱過孔將熱焊盤連接到系統(tǒng)接地平面散熱器。
• SW引腳與電感：SW引腳與電感的連接應(yīng)盡可能短，且電流路徑應(yīng)保持筆直，避免L形或T形路徑導(dǎo)致的阻抗突變。輸出電容應(yīng)靠近電感的$V_{OUT}$端放置，并緊密接地到PGND引腳和暴露的PAD。
• 感測和設(shè)置電阻：$R{SNS}$和$R{SET}$電阻應(yīng)連接到CSP和CSN/OUT引腳的電流感測放大器輸入，為確保電流限制和電纜補償?shù)臏?zhǔn)確性，建議使用短而平行的走線。

應(yīng)用案例：典型設(shè)計與性能曲線分析

典型應(yīng)用電路

TPS2583x - Q1僅需少量外部元件，就能將寬電壓范圍的輸入轉(zhuǎn)換為5V輸出，為USB設(shè)備供電。其集成的降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)部經(jīng)過補償，能與合理選擇的外部電感和電容配合，實現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

性能曲線分析

通過一系列性能曲線，如降壓效率與輸出電流的關(guān)系、負載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)曲線等，可以直觀地了解TPS2583x - Q1在不同條件下的性能表現(xiàn)。這些曲線有助于工程師在設(shè)計過程中進行參數(shù)優(yōu)化，確保系統(tǒng)滿足實際應(yīng)用的需求。

總結(jié)

TPS2583x - Q1同步降壓穩(wěn)壓器憑借其豐富的特性、卓越的性能和靈活的應(yīng)用設(shè)計，為汽車USB充電端口提供了可靠的解決方案。在實際應(yīng)用中，工程師應(yīng)根據(jù)具體需求，合理選擇元件、優(yōu)化布局，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的USB充電功能。你在使用這款產(chǎn)品時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。