BQ24392-Q1：高性能USB開關的設計與應用解析

在電子設備的設計中，USB接口的應用極為廣泛，而一個穩(wěn)定且功能強大的USB開關對于設備的充電和數(shù)據(jù)傳輸至關重要。今天我們就來詳細探討一下德州儀器（TI）的BQ24392-Q1，這是一款專為汽車應用設計的雙單刀單擲（SPST）USB 2.0高速隔離開關，具備充電器檢測功能，適用于微型和迷你USB端口。

文件下載：bq24392-q1.pdf

1. 產(chǎn)品特性亮點

1.1 汽車級應用資質(zhì)

BQ24392-Q1通過了AEC-Q100認證，這意味著它能夠在-40°C至125°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，滿足汽車應用對器件可靠性和穩(wěn)定性的嚴格要求。同時，其人體模型（HBM）靜電放電分類等級為2級，充電器件模型（CDM）靜電放電分類等級為C4B，具備良好的ESD防護能力。

1.2 USB 2.0高速開關與充電器檢測

該器件支持USB 2.0高速數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠檢測符合USB電池充電規(guī)范版本1.2（BCv1.2）的充電器，同時兼容多種非標準充電器，如蘋果（Apple?）充電器、TomTom?充電器等。這使得它在不同的充電場景下都能發(fā)揮出色的性能。

1.3 寬電壓范圍與ESD性能

BQ24392-Q1的VBUS電壓范圍為-2V至28V，能夠適應多種電源輸入。同時，其ESD性能經(jīng)過嚴格測試，在人體模型下可達4000V，充電器件模型（C101）下可達1500V，DP_CON/DM_CON到GND的接觸放電可達±8kV（IEC 61000-4-2），有效保護器件免受靜電損壞。

2. 應用場景

BQ24392-Q1適用于多種汽車電子設備，如后座娛樂系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)等。在這些應用中，它能夠?qū)崿F(xiàn)USB數(shù)據(jù)路徑的開關控制和充電器檢測，確保設備的正常充電和數(shù)據(jù)傳輸。

3. 產(chǎn)品詳細描述

3.1 功能概述

BQ24392-Q1在檢測到符合BCv1.2規(guī)范、蘋果、TomTom或其他USB充電器插入微型或迷你USB連接器時，會自動檢測充電器類型并控制USB 2.0高速隔離開關。該器件通過VBUS供電，具備28V的耐壓能力，無需外部保護電路。

3.2 引腳配置與功能

3.3 充電器檢測流程

當微型或迷你USB附件插入連接器且VBUS電壓高于VBUS_VALID閾值時，BQ24392-Q1進入數(shù)據(jù)接觸檢測（DCD）狀態(tài)，該狀態(tài)包含600ms的超時功能。如果檢測到符合USB BCv1.2規(guī)范的充電器，將啟動130ms的去抖周期，然后進行主檢測和二次檢測，以確定連接的是專用充電端口（DCP）、標準下游端口（SDP）還是充電下游端口（CDP）。檢測時間最短為130ms，由于插拔速度慢，最長可達600ms。

如果DCD檢測失敗，器件將檢測是否插入了蘋果或TomTom充電器，檢測時間通常約為600ms。檢測結束后，CHG_AL_N、CHG_DET和SW_OPEN三個輸出引腳會改變狀態(tài)，具體狀態(tài)可參考檢測表。

3.4 器件功能模式

BQ24392-Q1具有三種功能模式：

• 無附件插入
• 附件插入且正在進行檢測
• 附件插入且檢測完成

4. 設計與應用要點

4.1 GPIO的使用

• CHG_AL_N和CHG_DET：這兩個引腳用于指示充電狀態(tài)和充電電流大小。CHG_AL_N是開漏輸出，低電平有效；CHG_DET是推挽輸出，高電平表示可進行大電流充電。系統(tǒng)需要定義低電流和高電流充電的具體數(shù)值。
• SW_OPEN：開漏輸出，指示USB開關的狀態(tài)。高阻態(tài)表示開關斷開，低電平表示開關閉合。主機應監(jiān)控該引腳以了解開關狀態(tài)。
• GOOD_BAT：主機控制器使用該引腳向BQ24392-Q1指示電池狀態(tài)，它會影響SDP或CDP的開關狀態(tài)以及死電池供應（DBP）定時器。

4.2 慢插拔事件處理

在插入充電器時，VBUS和GND引腳先接觸，而BQ24392-Q1需要訪問D+和D-線進行檢測。因此，該器件在VBUS有效后有130ms的去抖時間，以減少D+和D-線接觸延遲的影響。但如果插拔速度過慢，檢測時間可能會超過600ms，導致器件將充電器檢測為非標準充電器。

4.3 典型應用設計

在典型應用中，BQ24392-Q1用于微型或迷你USB連接器端口和USB主機之間，實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)路徑的開關控制和充電器檢測。設計時需要注意以下幾點：

• 電容選擇：VBUS需要1μF - 10μF和0.1μF的旁路電容，以減少電路元件的噪聲。0.1μF電容用于過濾高頻信號，1μF - 10μF電容用于過濾低頻信號。
• 電阻配置：SW_OPEN和CHG_AL_N需要10kΩ上拉電阻到VDDIO和VBUS；VBUS、DM_CON和DP_CON建議使用2.2Ω外部電阻進行額外的鎮(zhèn)流保護。
• ESD保護：DM_CON、DP_CON和VBUS建議使用1pF - 10pF的外部ESD保護二極管，額定IEC保護電壓為8kV，以防止8kV IEC接觸放電導致的器件故障。

4.4 布局指南

• 電容放置：VBUS旁路電容應盡量靠近VBUS引腳，避免靠近DP/DM走線。
• 走線長度和阻抗匹配：高速DP/DM走線長度應匹配且不超過4英寸，阻抗應與電纜的差分特性阻抗90Ω ± 15%匹配。
• 減少反射和干擾：高速USB信號走線應盡量減少過孔和拐角的使用，避免在晶體、振蕩器、時鐘信號發(fā)生器等附近布線，避免出現(xiàn)Stub。
• 多層板設計：建議使用至少四層的印刷電路板，信號層之間由接地層和電源層隔開，以減少電磁干擾。

5. 總結

BQ24392-Q1是一款功能強大、性能穩(wěn)定的USB開關，適用于汽車電子等多種應用場景。在設計過程中，我們需要充分了解其特性和應用要點，合理進行電路設計和布局，以確保設備的正常運行和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師在使用BQ24392-Q1進行設計時提供一些有用的參考。你在實際應用中是否遇到過類似的設計挑戰(zhàn)？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。